Вопросы к экзамену по дисциплине "Теоретические основы теплотехники"

1. Сущность теплопроводности. Температурное поле, его характеристики. Градиент температуры, его знак и направленность.

2. Уравнение теплопроводности (закон Фурье). Коэффициент теплопроводности, определение, размерность и физическая сущность, зависимость от внешних факторов.

3. Теплопроводность через плоскую однослойную стенку. Тепловой поток и термическое сопротивление.

4. Теплопроводность через цилиндрическую однослойную стенку. . Тепловой поток и термическое сопротивление.

5. Теплопроводность через многослойную плоскую стенку. . Тепловой поток и термическое сопротивление, температуры на границе слоев.

6. Теплопроводность через многослойную цилиндрическую стенку. Тепловой поток и термическое сопротивление, температуры на границе слоев.

7. Сущность конвективного теплообмена. Основные факторы, влияющие на теплоотдачу.

8. Условия однозначности для процессов теплообмена (геометрические, физические, граничные, временные). Четыре рода граничных условий.

9. Критерии подобия. Критериальные уравнения для вынужденного и свободного движения теплоносителя.

10. Коэффициент теплоотдачи, определение, размерность. Уравнение теплоотдачи (Ньютона-Рихмана). Методы решения задач конвективного теплообмена.

11. Гидродинамическое и тепловое подобие при свободном и вынужденном движении жидкости. Гидродинамический пограничный слой и его влияние на теплообмен.

12. Теплоотдача при движении жидкости вдоль пластины. Распределение скоростей, температур теплоносителя.

13. Теплоотдача при свободном движении жидкости относительно стенок. Распределение скоростей и характер изменения коэффициента теплоотдачи.

14. Теплоотдача при движении жидкости в трубах. Распределение скоростей и температур в ламинарном и турбулентном режимах.

15. Теплоотдача при обтекании жидкостью одиночной трубы. Режимы движения и характер изменения коэффициента теплоотдачи.

16. Теплоотдача при обтекании жидкостью пучка труб. Режимы движения и характер изменения коэффициента теплоотдачи.

17. Критический диаметр изоляции. Условие эффективной работы изоляции и метод подбора её теплоизоляционных свойств.

18. Пути интенсификации теплоотдачи через стенку. Коэффициент теплопередачи, определение, размерность.

19. Теплопередача через плоскую однослойную стенку. Тепловой поток и термическое сопротивление.

20. Теплопередача через цилиндрическую однослойную стенку. Тепловой поток и термическое сопротивление.

21. Теплопередача через многослойную плоскую стенку. Тепловой поток и термическое сопротивление, температуры на границе слоев.

22. Теплопередача через цилиндрическую многослойную стенку. Тепловой поток и термическое сопротивление, температуры на границе слоев.

23. Теплообмен при кипении жидкости.

24. Теплообмен при конденсации жидкости.

25. Сущность теплообмена излучением. Излучательная, отражательная и поглощательная способность тела.

26. Лучистый теплообмен между поверхностями тел. Приведённый коэффициент излучения, размерность. Приведённая степень черноты тел.

27. Основные законы теплового излучения (Планка, Вина, Стефана-Больцмана). Коэффициент излучения, определение, размерность.

28. Основные законы теплового излучения (Стефана-Больцмана, Кирхгофа). Интенсивность, тепловой поток излучения.

29. Особенности излучения и поглощения энергии газами. Излучение многоатомных газов. Тепловой поток и коэффициент теплоотдачи при излучении.

30. Лучистый теплообмен между экранированными телами. Тепловой поток и оценка эффективности использования экранов.

31. Теплообменные аппараты, назначение, типы, основы теплового расчета теплообменника, определение поверхности теплообменника и конечных температур теплоносителей.

32. Теплоснабжение промышленных предприятий. Типы электростанций и тепловых станций, их преимущество и недостатки.

33. Теплоснабжение промышленных предприятий. Виды тепловых сетей, их преимущества и недостатки.

3. Теплопроводность через плоскую однослойную стенку. Тепловой поток и термическое сопротивление.

Рассмотрим явление теплопроводности в однородной плоской стенке толщиной δ (рис. 13.2). Теплопроводность материала стенки λ, и пусть на поверхностях стенки поддерживаются постоянные температуры t 1 и t 2 (режим стационарный), причем температурное поле одномерно и меняется только в направлении оси х. Внутренние источники теплоты в стенке отсутствуют. На основании уравнения (13.1) для бесконечно тонкого слоя стенки dx, взятого на расстоянии х от поверхности, будем иметь:

Постоянная интегрирования С определяется из граничных условий: при х=0; t=t₁, С =t₁ ; при х=δ, t=t₂= + t1, откуда определяют плотность теплового потока

(t₁-t₂) = (13.2)

­Разность температур t₁-t₂=∆t называется температуpным напором. Отношение λ/δ, Вт/(м²* К), называется тепловой проводимостью стенки, показывающей, какое количество теплоты проводит 1 м² стенки за единицу времени при температурном напоре, равном одному градусу. Обратная величина тепловой проводимости δ / λ, К*м²/Вт, называется термическим сопротивлением стенки, которое определяет падение температуры при прохождении через стенку теплового потока плотностью, равной единице. Подобное название δ / λ обусловлено тем, что формула (13.2), написанная в виде аналогична по форме закону Ома для постоянного тока, и отношение , соответствующее омическому сопротивлению в формуле закона Ома, называют термическим сопротивлением теплопроводности.

Если в в­ыражение подставить значения С = t₁ и q = , то получим уравнение температурнои кривои

_x = t₁ (13.3)

­Уравнение (13.3) показывает, что при постоянном значении λ внутри однородной плоской стенки температура изменяется по закону прямой линии. В действительности теплопроводность зависит от температуры, поэтому температура изменяется не по прямой, а по кривой.

Зная по уравнению (13.2) величину q, легко определить и общее количество теплоты Q, переданное через плоскую стенку с площадью поверхности S в течение времени τ:

(13.4)

­Многослойная плоская стенка. В строительстве наиболее распространенный тип ограждения ­ многослойные конструкции. Например, стены жилых домов на основном кирпичном слое с одной стороны имеют внутреннюю штукатурку, а с другой ­ - внешнюю облицовку. Обмуровка топок и печей, ис­пользуемых в промышленности строительных материалов, также обычно состоит из нескольких слоев: слоя огнеупорной кладки, слоя обычного кирпича и слоя тепловой изоляции.

Рассмотрим плоскую стенку, составленную из нескольких, напри­мep трех, разнородных, плотно прилеrающих друг к другу слоев(рис. 13.3). Толщины слоев и соответствующие значения теплопроводности составляют δ₁ δ₂ δ₃ и λ₁ λ₂ λ₃. Кроме того , заданы температуры наружных поверхностей стенки t₁ и t₄ . Соприкасающиеся поверхности слоев имеют температуры t₂ и t₃ , но значения их неизвестны. Поскольку мы рассматриваем стационарный режим, то плотность тепло­вого потока q, проходящего через каждый слой стенки, по величине одинакова. На основании формулы (13.2) для каждого слоя можно написать:

­

­Исходя из написанных уравнений, находим изменения температуры в каждом слое и, складывая их, получим температурный напор , т. е.

(А)

­откуда

­

По аналогии для n-слойной стенки расчетную формулу можно нaписать так:

­ ­ (13.5)

­Из полученного уравнения следует, что общее термическое сопротивление многослойной стенки равно сумме частных термических coпротивлений. Если значение теплового потока, определенного по формуле (13.5), подставить в равенство (А), можно найти неизвестные температуры t₁ и t₃ :

Или

Внутри каждого слоя температура изменяется по законy прямой линии (при λ =­ const), а для многослойной стенки она представляет co­бой ломаную линию (см. рис. 13.3), так как каждый слой стенки имеет свое значение λ. В некоторых случаях многослойную стенку рассчитывают как oднослойную однородную стенку с такой же толщиной

При этом в расчет вводится так называемая эквивалентная теплопроводность λ_экв , определяемая из соотношения

­­

Откуда

(13,6 )

Термическое сопротивление — тепловое сопротивление, способность тела (его поверхности или какого-либо слоя) препятствовать распространению теплового движения молекул.Тепловой поток — количество теплоты, проходящее через образец в единицу времени.