1.Тепловые процессы и аппараты. Виды теплообмена и теплообменных пр. Перенос тепла от одного тела к др., а также внутри одного тела наз. теплообменом. По 2-ому нач.термодинамики , перенос тепла осущ. Из зоны от тела с большей тем-ой. В зону к телу с мен. Тем-ой. Побуждает к теплообмену разность масс, потенциалов, т.е. разность тем-ур движущая сила. Тела уч. В теплообмене – теплоносители.Могут выполнять самостоят. И вспомогательную роль., обеспечивая оптимальные условия проведения др. процессов.

Тепло переносится за счет 3-х явлений: теплопроводности, конвекции и лучеиспувкания. Теплопроводность – перенос тепла за счет дв. Микрочастиц в газах и жидкостях, за счет перемещения молекул, атомов, ионов, электронов. За счет колебаний мол. , атомов в узлах крист. Решетки. Конвекция – перенос тепла за счет движения макрочастиц. Присуща жидкостям и газам. Бывает: 1) свободная (естественная) причиной ее явл. Разность тем–р в разных зонах теплоносителя, след. Возникает разность плотностей, след. Разность статических давлений и след. Движ. Макрочастиц. 2) вынужденная, обусловл. Вынужденным движ. Среды. Лучистый теплообмен – перенос тепла электромагнитными волнами в инфракрасной части спектра в оптически прозрачных средах.

Теплообмен может сопровождаться охлаждением или нагреванием. М.б. установившимся(стационарным) и неустанов.(нестационарным). Температурное поле – совокупность мгновеннях значений тем-р во всем объеме системы. Для нестационарных знач. Тем-р меняется в зависимости от текущего времени, для стационапного -от расположения точки в пространстве. Изотермическая поверхность – совокупность точек температ. Поля с одинаковым знач. Тем-р. Для нестацион. Изотермические поверхности меняют форму и расположение во времени, подвижны. Теплоотдача –перенос тепла в пределах одного теплоносителя. Если горячий, то от ядра к поверхности(границам), если охлаждение – от поверхности к ядру(для конвекции). Теплопередача – перенос тепла от горячего теплоносителя к холодному, т.е. из ядра горячего к границе(тв. Стенка) и от границы холодного теплоносителя к ядру. Для описания теплообменных процессов ис–ют плотность, вязкость, объемное расширение, поверхностное натяжение и т.д. Удельная энтальпия -теплосодержание вв(мат.) приходящиеся на единицу массы. . Теплоемкость С –кол-во энергии, кот. Необходимо подвести(отвести) к(от) телу, чтобы тем-ра этого тела изменилась на 1 градус(Дж/кг К). При фазовом переходе изменение энтальпии при характеризуется удельной теплотой фазового перехода. . Удельная теплота фазового перехода – кол-во энергии, кот. Небходимо подвести к ед. массы в-ва либо отвести, для того, чтобы в-во при изменило свое агрегатное состояние. Зависит от природы в-ва, хим. Состава,Т, Р. С ростом Т возрастает Рприкот. Происходит фазовый переход наз. Кипением. Кипение – парообразование во всем объеме жидеости. Сущ. Критические Т и Р , при возрастании Т и Руд. Теплота снижается и =0.

2. Перенос тепла, теплопроводность. Закон Фурье. Произведение Т по нормали к изотермам поверхности наз. Градиентом тем-р. . По 2-ому началу термодинамики, перенос тепла осущ. в направлении, противоположному градиенту тем-р. Можно предположить, что плотность теплового потока при переносе тепла пропорциональна градиенту тем-р. Исходя из этой гипотезы, сформулируем з-н Фурье, характеризует интенсивность переноса тепла теплопроводностью. . Q- кол-во теплоты, переносимое за счет теплопроводности через поверхность. коэффициент теплопроводности, уд. теплопроводность материала( ).

В области установившегося теплообмена, ур-ние з-на Фурье в упрощенном виде ч/з плотность теплового потока . Теплопроводность явл. Теплофиз. Константой, зависит от природы в-ва, Т, Р. Для жидкостей и тв. Мат. От Р не зависит. С ростом Т возрастает. Для тв. Материалов с понижением Т Теплопроводность растет. Повышенной теплопроводностью обладают ме и их сплавы. Жидкости имеют теплопроводность от 0,1 до 0,7. У газов самый низкий (от0,006 до 0,17).

Уравнение теплопроводности Фурье. Представляет собой уравнение теплового баланса элементарного объема в-ва, через кот. Тепло переносится исключительно за счет теплопроводности. Для элементарного объема в-ва рас-тся приход тепла перенесенный теплопроводностью через все грани элементарного объема:

Через противоположную грань перенесено кол-во теплоты

, полное приращение кол-ва тепла в элементарном объеме.

Изменение теплосод. Элементарного объема выр. Изменением Т во времени

- ур-ние Фурье в краткой форме. Показывает распределение температуры в пространстве и во времени при переносе тепла.

- коэф. Температуропроводности. Можно характеризовать как меру тепловой инерционности теплоносителя среды

3.Перенос тепла через однослойную и многослойную стенку.

Для плоской однослойной стенки принимают условия, то ее толщина во много раз меньше ширины, длины, высоты. В таком случае при стационарном теплообмене поле внутрен. Стенки можно принять одномерным, т.е. изменение Т происходит только вдоль из одной осей координат. Для данного случая, если ось Х перпендик. Стенке, то для стационарного теплообмена - ур-ние Фурье. Граничными условиями явл. Тем-ра более нагретой стенки . Получим з-н распределения тем-р в плоской стенке

- более горячая поверхность. Разность граничных тем-р равна градиенту тем-р.

Для плоской многослойной стенки. З.-н. аддитивности термического сопротивления - термическое сопротивление

- тепловая проводимость

–термическое сопротивление и-го слоя. ,

При расчете теплопроводности обязательно учитывать термическое сопротивление инородных слоев

Для цилиндрической стенки (обычно берут наружную поверхность либо среднюю). Если применять среднюю поверхность , Для многослойной . Из анализа уравнений следует, что плотность теплового потока при увеличении толщины плоской стенки монотонно снижается. Для цилиндрической стенки расход тепла при увеличении толщины сначала снижается, потом начинает возрастать.

4. Конвективный перенос теплоты. Уравнение Фурье-Киркгофа.

Конвективный перенос теплоты происходит в текучих средах: газах, жидкостях, за счет перемещения макрочастиц, имеющих различные термодинамические потенциалы. С ростом скорости движения теплоносителя интепсивность движения макрочастиц возрастает, возникает турбулентность, частицы интенсивно перемешиваются. Т.о. с ростом интенсивности движ. Теплоносителя будет возрастать интенсивность переноса тепла конвекции. В ядре потока тепло переносится как конвекцией так и теплопроводностью – конвективный теплообмен. Перенос тепла в турбулентном ядре потока при конвективном теплообмене происходит мгновенно. И общую скорость переноса тепла в потоке будет определять скорость переноса тепла тепловом пограничном слое. Для практических расчетов интенсивности конвективного обмена от ядра потока к стенке или в обратном направлении ис-ют упрощенную зависимость: з-н охлождения Ньютона(ур-ния теплоотдачи): Кол-во тепла переносимого при конвективном теплообмене от ядра потока к границе теплоносителя или в обратном направлении пропорционально температ-му напору между ядром потока и теплоносителя. Температурный напор – разность температур теплоносителя и стенки.

–ур-ние теплоотдачи, диф. Форма

α – коэф. Теплоотдачи. Характеризует какое кол-во тепла переносится к единичной поверхности теплоносителя из его ядра(либо в обратном направлении) в единицу времени при единичном температурном напоре теплоносителя

, для стационарного теплообмена, Q- тепловой поток

среднеинтегральное по поверхности разности тем-р

Уравнение Фурье –Кирхгофа является уравнением теплового баланса теплоносителя при конвективном теплообмене. Рассмотрим декартовую систему координат.

=

Если произвести преобразования сложения, то приращение кол-ва тепла в элементарном объеме вдоль оси х будет вычисляться

dV d = .

Проведя аналогичные рассуждения, получим и проекции и на другие оси координат

, составив 3 проекции получим полное приращение тепла в элем.объеме за счет конвекции:

Если принять поток геплоносителя в условиях неразрывности и принять допущение, что плотность теплоносителя постоянна

Изменим теплосодержание элементарного объема

. Ис-зуя эти зависимости запишем ур-ние Киркгофа

, коэф. температуропроводности