Теплофизика сложных систем. учебное пособие. Коновалов Д.А

УДК 536.2 : 536.3 : 669.046.4 (075.8) ББК 22.4:34.3я7

К647

Рецензенты

кафедра физики, теплотехники и теплоэнергетики Воронежского государственного университета инженерных технологий (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. А. В. Буданов); Е.А. Кубряков, канд. техн. наук, доцент кафедры информатики и методики преподавания математики Воронежского государственного педагогического университета

Коновалов, Д. А.

К647 Теплофизика сложных систем: учебное пособие / Д. А. Коновалов; ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет».– Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2020. – 174 с.

ISBN 978-5-7731-0885-6

Рассмотрены основные теплофизические процессы, виды теплообмена, основы расчета ключевых теплофизических характеристик. Особое внимание уделено интенсификации теплообмена в различных технических системах, а также теплофизическим процессам в металлургии.

Предназначено для студентов направления 22.03.02 «Металлургия» (профиль «Технология литейных процессов») всех форм обучения, изучающих дисциплину «Теплофизика» и 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (профиль «Промышленная теплоэнергетика») всех форм обучения, изучающих дисциплину «Тепломассобмен».

Ил. 103. Табл. 12. Библиогр.: 29 назв.

УДК 536.2 : 536.3 : 669.046.4 (075.8) ББК 22.4:34.3я7

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современное развитие техники и технологий связано с разработкой технологических процессов и установок с высоким удельным тепловыделением. Классическими примерами могут служить элементы телекоммуникационного оборудования (связь 5G), современные смартфоны, процессоры, вычислительные станции, мобильные энергоустановки, включая компактные ядерные тепловыделяющие элементы для плавучих станций, металлургические установки. Если несколько лет назад допустимым пределом было тепловыделение около 50–80 Вт/см2, то сейчас это значение колеблется от 300–500 Вт/см2, а в ближайшей перспективе появятся устройства с удельным тепловыделением около 1 000 Вт/см2, что фактически сопоставимо с энерговыделением ядерного реак-

тора [1 – 4]. Для сравнения, обычная лампочка накаливания – это всего лишь 3– 5 Вт/см2.

Особый интерес представляет теплофизика металлургических процессов. На самом деле, несмотря на кажущуюся простоту, современная металлургия представляет собой сложное производство. Это подготовка руд к плавке (агломерация и производство окатышей), коксо-химическое производство, восстановление руд (доменное производство или прямое получение железа), получение стали (мартеновское, конвертерное и электросталеплавильное производство с установками для внепечной обработки и разливки стали), обработка металлов давлением (получение горяче- и холоднокатаного проката), хими- ко-термическая обработка металла и т. д. Эффективность и интенсивность металлургических процессов, наряду со знанием материаловедения, связана с исследованием процессов тепло- и массообмена. Задачи теплофизики в металлургии являются наиболее сложными и труднорешаемыми, поскольку в их основе лежат сложные тепло- и массообменных процессы на границе раздела фаз, во многих случаях сопровождаемые фазовыми превращениями и химическими реакциями [5, 6].

В большинстве случаев гетерогенные металлургические системы являются двухфазными. В них происходит взаимодействие твердой и жидкой фаз (плавление и затвердевание металла, плавка в жидкой ванне и т. д.), твердой и газообразной фаз (кислородно-факельная плавка, химико-термическая обработка металла и т. д.), газообразной и жидкой фаз (барботаж ванны жидкого металла, струйная рафинировка металла и т. д.). Процессы, присходящие в этих системах являются сложными с точки зрения теплофизики. Поэтому решение металлургических задач невозможно без понимания сути теплофизических процессов и их корректного описания.

В дополнение к этому стоит ряд дополнительных задач. Это связано с тем, что напряжения, возникающие в различных технических объектах вследствие их нагревания или охлаждения, во многих случаях заметно влияют на долговечность и надежность агрегатов и машин, на качество материалов и из-

3

делий, на экономичность и эффективность производств, нередко могут стать причиной нарушения технологических режимов, а иногда привести даже к разрушению конструкций. Несмотря на это, при проектировании разного металлургического оборудования или назначении теплотехнологических режимов до сих пор еще недостаточно учитываются возможные термические напряжения. В случае когда такие расчеты выполняются, они происходят преимущественно в линейной постановке, что не соответствует текущему развитию науки и технологий [6].

Целью книги является необходимость научить будущих специалистов основам теплофизического анализа различных процессов и методам решения теплофизических задач сложных систем металлургического производства. В учебном пособии представлены основы теплофизики, а также отдельные задачи тепломассобмена дисперсных систем в условиях фазового перехода. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 22.03.02 «Металлургия», профиль «Технология литейных процессов» и 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», профиль «Промышленная теплоэнергетика», соответствует их учебным планам, а также может быть рекомендовано для инженерных работников металлургических предприятий.

Автор выражает признательность своим наставникам ‒ доктору технических наук, профессору Дроздову Игорю Геннадьевичу и доктору технических наук, профессору Ряжских Виктору Ивановичу, за содержательные консультации при подготовке книги.

Уверен, что учебное пособие будет полезно студентам-теплофизикам, а также интересную информацию найдут в ней магистранты и аспиранты близких специальностей. Автор рассчитывает на внимание и последующее заинтересованное обсуждение со стороны коллег-преподавателей, любые замечания, которые помогут в улучшении этого учебного пособия при возможном переиздании и текущем чтении лекций

4

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов специальностей «Металлургия» и «Теплоэнергетика и теплотехника». Этим определилось построение книги и подбор излагаемого материала. Курс «Теплофизика» является базовым для ряда инженерных специальностей. Однако область изучения теплофизических процессов в различных энергоустановках достаточно широка: от криогенных до высокотемпературных металлургических систем. Металлургия стремительно развивается, а разработка современных технологий требует подготовки новых специалистов с широким набором компетенций. Большинство современных учебников охватывают классические разделы теплофизики и тепломассообмена. Это достаточно рание работы М. А. Михеева, В. П. Исаченко, В. А. Осиповой, А. С. Сукомела, более современные работы А. И. Леонтьева, Ю. А. Кузма-Кичты, Д. А. Лабунцова, В. В. Ягова, Н.В. Павлюкевича, А.В. Дедова, Vafai K.,Nield D.A., Bejan A. и др. Однако применительно к металлургичской специфике довольно мало теплофизических учебников. Основные из них представлены работами В.А. Кривандина, В.И., Тимошпольского и скорее касаются термомеханических процессов. Именно поэтому при подготовке данного учебного пособия были подробно рассмотрены теплофизические основы для металлургического производства.

Впервой главе рассматриваются основные понятия и определения теплофизики, характеризующие процессы тепло- и массопереноса.

Вторая глава посвящена исследованию теплопередачи в различных технически сложных системах: от простейших через плоскою стенку до достаточно сложных многослойных криволинейных поверхностей при наличии источников тепловыделения. Такие задачи достаточно распространены в металлургии, а представленная в учебном пособии информация позволит будующим специалистам успешно проводить инженерные расчеты.

Втретьей главе рассмотрены особенности нестационарной теплопроводности в телах. Предложенные фундаментальные подходы и аналитические решения позволяют прогнозировать термическое состояние различных материлов, в т.ч. металлов и их сплавов при резких изменениях температур (плавка и затвердевание, термическая обработка, изготовление метододами аддитивных технологий и др).

Четвертая и пятые главы посвящены изучению фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена, а также исследованию гидродинамического

итеплового пограничного слоев. Здесь акцентированы ключевые моменты, а подробное изложение можно найти в работах академика А.И. Леонтьева.

Вшестой главе рассмотрены вопросы теории подобия, гидродинамические и тепловые критериальные числа, а также практические вопросы при моделировании теплофизических процессов. Теория подобия является основным

5

инструментом для обобщения данных в ходе экперимента и разработки методик инженерных расчетов для широкого круга задач.

Седьмая глава является, пожалуй, самой обширной в данной книге. В ней рассмотрены вопросы конвективного теплообмена при вынужденной и свободной конвекции. Использование механизмов конвективного теплообмена позволяет решать задачи тепловой защиты высокотемпературного оборудования, прогнозирования режимов его работы в критических условиях.

Восьмая глава рассматривает вопросы фазового перехода при кипении, как одного из процессов тепловой защиты установок. В ней, в относительно сжатой форме, изложены ключевые достижения научных исследований Д,А. Лабунцова, А.И. Леонтьева, В.В. Ягова.

Вдевятой главе представлены теплофизические основы радиационного теплообмена. Металлургические процессы в большинстве своем являются высокотемпературными и такой вид теплообмен для них имеет ярко выраженный характер. При этом возникает вопрос тепловой защиты обслуживающего персонала, а также вспомогательного оборудования (элементы автоматики, системы управления и сигнализации и др.).

Десятая глава посвящена механизмам интенсификации теплообмена в различных технически сложных системах. Представлены как классические подходы с учетом современных тенденций, так и передовые, например, с использованием наножидкостей. Научные работы Ю.А. Кузмы-Кичты и В.И. Терехова легли в основу данной главы.

Водиннадцатой главе рассмотрены теплофизические основы нагрева и охлаждения тел различных форм и размеров с учетом возможных термонапряжений и химического окисления поверхностей.

Рисунки в книге выполнены автором лично, часть из них взята из источников, приведенных в библиографическом спике.

6

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИКИ

Область иссследования теплофизики достаточно обширна и включает в себя исследование как свойств веществ, так и особенности протекания различных процессов. Прежде всего, это исследования гидродинамических и теплофизических свойств чистых веществ и их смесей, в том числе при различных агрегатных состояниях. Инструментарий исследований может быть представлен аналитическими, численными или экспериментальными методами.

Теплофизика изучает основные термодинамические процессы и циклы в энергетических установках. Классическими примерами могут являться широко известный цикл Карно или цикл работы холодильной машины.

Обширной областью, фактически является исследование различных способов теплообмена. Это свободная и вынужденная конвекция, однофазные и многофазные течения, кипение и конденсация, радиационный теплообмен в прозрачных и поглощающих средах. Исследования проводят для различных веществ и смесей, а полученные результаты можно применять для создания энергтических устройств и установок различной геометрической конфигурации, разрабатывать режимы их работы.

Аналогичные исследования проводят для изучения переноса тепла и массы в многокомпонентных средах, в том числе в условиях химических реакций.

Для современных установок отдельно стоит задача по созданию методов интенсификации тепломассообмена, разработки систем тепловой защиты энергонапряженных поверхностей от выскоинтенсивного теплового потока.

Необходимым условием теплообмена является наличие разности температур у тел в различных точках пространства. Выделяют 3 механизма распределения теплоты [7, 8]:

-теплопроводность (кондукция, диффузия);

-конвекция;

-тепловое излучение.

Теплопроводность представляет собой перенос теплоты микроскопическими структурными частицами вещества (молекулы, атомы, ионы) в процессе теплового движения в телах с неравномерным распределением температуры. Для различного агрегатного состояния тел характерны свои механизмы теплопроводности. В газах происходит обмен энергией при упругом соударении молекул, имеющих разную скорость теплового движения. В жидкостях передача тепла осуществляется за счет движения молекул и атомов, соединяющих частицы вещества, а также за счет колебания кристаллической решетки. В металлах передача тепла осуществляется за счет движения свободных электронов и колебаний кристаллической решетки.

Конвекция представляет собой перенос теплоты в жидкостях или газах крупными макроскопическими частицами в процессе их движения. Различают свободную конвекцию в неоднородном поле массовых сил (поверхностная, те-

7

пловая, термокапиллярная) и вынужденную, которая происходит под действием внешних сил (за счет перепада давлений, электромагнитного взаимодействия, вибрации).

Тепловое излучение представляет собой перенос теплоты за счет электромагнитного поля.

Наряду с простыми механизмами переноса теплоты выделяют так называемый сложный или комбинированный теплообмен. К нему относятся:

-радиационно-кондуктивный теплообмен; -радиационно-конвективный теплообмен;

-теплоотдача;

-теплопередача.

Если теплообмен сопровождается переносом массы, то такой процесс носит название тепломассобмена.

В задачах теплообмена основным является определение совокупности значений температур в различных точках пространства, т.е. температурного поля. Температурное поле при этом является функцией координат и времени:

Формула является выражением для трехмерного нестационарного температурного поля. В случае, если температурное поле не изменяется со временем, оно носит название стационарного:

t f x,y,z .

Соответственно в зависимости от постановки задачи могут быть найдены двух- и одномерные температурные поля:

Геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру носит название изотермы t const, а изменение температуры от одной изотермы к

другой – градиентом температуры. Температурный градиент в данной точке – векторная величина (К/м), направленная по нормали к изотерме в сторону увеличения температуры и равная по модулю производной от температуры по нормали к изотерме:

Для произвольной системы координат:

Интенсивность теплообмена характеризуется тепловым потоком, т.е. тепло, передаваемое за период времени через произвольную поверхность:

8

Плотность теплового потока является векторной величиной, направленной по нормали к изотермической поверхности в сторону увеличения температуры и равной тепловому потоку, отнесенному к площади поверхности:

В свою очередь, расход теплоты может быть определен как:

Подобные определения можно сформулировать и для процессов массообмена. Обязательное условие массообмена – наличие разности концентраций в различных точках среды. Концентрация представляет собой отношение массы примеси к ее объему:

Поле концентраций может быть представлено совокупностью изоконцентрических поверхностей. След данной поверхности носит название изоконцентраты c const. Интенсивность процессов массообмена характеризуется потоками массы. Поток массы представляет собой массу компонента, передаваемую за определенное время через произвольную поверхность:

Плотность потока массы является векторной величиной, направленной по нормали к изоконцентрической поверхности в сторону увеличения концентрации и равная потоку массы, отнесенной к площади поверхности:

Соответственно, расход массы через поверхность тела

Градиент концентрации представляет собой векторную величину, направленную по нормали к изоконцентрате в сторону увеличения концентрации примеси и равную по модулю производной от концентрации примеси по нормали к изоконцентрате: