Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы механики жидкости и теплотехники в системах ТГВ. Учебно-методическое пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-
СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
А.П. Давыдов, М.А. Валиуллин, З.Х. Замалеев
ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ЖИДКОСТИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ
В СИСТЕМАХ ТГВ
Учебно-методическое пособие
Казань
2019
1
УДК (532+621.1):697
ББК 38.762
Д13
Давыдов А.П., Валиуллин М.А., Замалеев З.Х.
Д13 Основы механики жидкости и теплотехники в системах ТГВ: Учебнометодическое пособие / А.П. Давыдов, М.А. Валиуллин, З.Х. Замалеев. –
Казань: Изд-во Казанск. гос. архитект.-строит. ун-та, 2019. – 90 с.
Печатается по решению Редакционно-издательского совета Казанского
государственного архитектурно-строительного университета
В учебно-методическом пособии изложены основные вопросы по курсу
«Теплотехника и системы ТГВ».
Пособие предназначено для студентов направления подготовки 08.03.01
«Строительство» всех профилей (квалификация – бакалавр), поможет
студентам всех строительных специальностей лучше усвоить данный курс.
Рецензенты:
Доктор педагогических наук, профессор кафедры профессионального
обучения, педагогики и социологии КазГАСУ
Р.С. Сафин
Кандидат технических наук, доцент Казанского государственного
технического университета
Б.А. Акишин
УДК (532+621.1):697
ББК 38.762
© Казанский государственный
архитектурно-строительный
университет, 2019
© Давыдов А.П., Валиуллин М.А.,
Замалеев З.Х., 2019
2
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………..
5
Глава 1. Основы теории теплопередачи. Общие сведения………..………...
7
1.1. Виды передачи тепла……………………………………………………...
7
1.2. Закон «Фурье» и коэффициент теплопроводности…………………….
10
1.3. Теплопроводность…………………………………………………………
11
1.4. Конвективный теплообмен………………………………………………..
15
1.5. Теплообмен излучением……………………………………….………….
16
1.6. Сложный теплообмен……………………………………………………..
20
1.7. Теплообменные аппараты……………………….………………………...
23
Глава 2. Гидравлика………………………………………………..…………..
28
2.1. Основные физические свойства жидкостей……………………………..
28
2.2. Аномальные жидкости………………………………………...…………..
2.2.1. Неньютоновские жидкости с реологическими характеристиками,
не зависящими от времени…………………………………………………….
2.2.2. Тиксотропные жидкости. Реопектические жидкости. Вязкоупругие
жидкости………………………………………………………………………...
32
33
34
2.2.3. Вязкость рассолов………………………………………………..……...
35
2.2.4. Ферро магнитные жидкости.................................................................
37
2.3. Основы гидростатики……………………………………………………...
39
2.3.1. Равновесие жидкости…………………………………………….……...
39
2.3.2. Основная теорема гидростатики…………………………….………….
40
2.3.3. Основной закон гидростатики………………………………………….
43
2.3.4. сила давления жидкости на плоские поверхности…………………….
45
2.3.5. Закон Архимеда………………………………………………...………..
48
2.4. Основы гидродинамики………………………………….………………..
50
СОДЕРЖАНИЕ
3
2.4.1. Основные характеристики потока жидкости………………………….
50
2.4.2. Уравнение неразрывности………………………………......................
54
2.4.3. Основные дифференциальные уравнения движения невязкой
жидкости..........………………………………………………………………....
57
2.4.4. Уравнение движения вязкой жидкости…………….............…………..
59
2.4.5. Решение основного дифференциального уравнения движения
невязкой жидкости в случае установившегося движения…………...............
60
2.4.6. Решение основного дифференциального уравнения движения
вязкой жидкости в случае установившегося движения в поле сил тяжести
64
2.4.7. Основные понятия о гидродинамическом подобии.............................
66
2.5. Прикладная гидравлика………..…………..………………………..…….
74
2.5.1. Виды гидравлических сопротивлений……..…………..………..……..
74
2.5.2. Ламинарные и турбулентные режимы движения жидкости………….
75
2.5.3. Местные гидравлические сопротивления……………………..............
79
2.6. Гидравлический расчет трубопроводов…………………………….........
82
2.6.1.Типы трубопроводов.............................................................................
82
2.6.2. Расчет простых трубопроводов...........................................................
83
2.6.3. Расчет сложных трубопровод….…………………………….........……
86
2.6.4. Расчет сложного кольцевого трубопровода..........................................
88
Список литературы…………………………………………………..………...
90
4
ВВЕДЕНИЕ
Теплопередача является частью теплотехники – науки о теплоте,
выработке энергии, преобразование одного вида энергии в другой.
Теплопередача уделяет главное внимание процессам переноса тепла в
различных конструкциях, устройствах и машинах.
Теплопередача, как часть учения о теплоте, была заложена великим
российским ученым М.В. Ломоносовым. С развитием техники вопросы
переноса тепла стали приобретать первостепенную роль. Так, например, в 19
веке была опубликована работа О. Рейнольдса, в которой устанавливается
единство процессов переноса тепла и количества движения –
«Гидродинамическая теория теплообмена».
В развитие науки о теплопередаче большой вклад внесли российские
ученые М.Ф. Окотов, И.А. Вышнеградский, Д.И. Менделеев, А.А. Гухман,
М.А. Михеев, А.В. Лыков, М.В. Кирпичев. Так М.В. Кирпичевым была
разработана методология проведения моделирования, проведения
экспериментальных исследований тепловых устройств. Им была разработана
общая методология исследований, обработки и обобщения опытных данных.
Разработана теория теплового моделирования.
Рассматриваемые во второй главе вопросы механики жидкости
непосредственно связаны с проектированием и конструированием всех
современных технических устройств.
Механика жидкости – наука, рассматривающая статику, динамику и
прикладную механику жидкости, позволяющую непосредственно определять,
проектировать и конструировать гидротехнические сооружения,
гидравлические машины, трубопроводы различного назначения и т.п.
Первые данные в области механики жидкости относятся к 237–212 годам
до нашей эры. Закон о равновесии тела погруженного в жидкость – закон
5
древнегреческого ученого Архимеда. В средние века в познание механики
жидкости был внесен большой вклад учеными Европы – Стивеном,
Торричелли, Паскалем.
В развитие областей механики жидкости большой вклад внесли
российские ученые Л. Эйлер, Д. Бернулли, Жуковский, Петров.
В развитие современной механики жидкости важную роль сыграли труды
ученых: В.Г. Шухова, А.Н. Крылова, Н.Н. Павловского, В.Д. Альшуля,
Л.Г. Лисянского, Евреинова и др.
Современный уровень развития механики жидкости и теплопередачи
позволяют решать большой сектор технических проблем.
6
Глава 1
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1. Виды передачи тепла
Теплообмен представляет собой совокупность сложных процессов. Теория
теплопередачи – это наука о процессах передачи тепла от более нагретого тела
к менее нагретому телу. Целый ряд важных вопросов техники,
конструирования машин, проектирования и строительства зданий и
сооружений осуществляется на основе теории теплообмена.
Для облегчения изучения процесса теплообмена его разделяют на ряд
простых процессов. Различают три принципиально отличных друг от друга
процесса теплообмена – теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
Теплопроводность происходит при непосредственном ударении частиц
вещества (молекул), сопровождающимся обменом тепловой энергии движения.
Такой процесс теплообмена может происходить в любых телах. Перенос тепла
в этом случае зависит от агрегатного состояния тела.
Теплопроводность жидких и газообразных тел незначительна. Твердые
тела обладают большей теплопроводностью. Тела с малой теплопроводностью
называют теплоизоляционными. Теплоизоляционными материалами считаются
материалы, коэффициент теплопроводности которых меньше 0,2 вт./м К
Процесс теплообмена конвекцией происходит только в жидкостях и газах.
Конвекция представляет собой процесс переноса тепла путем перемещения и
перемешивания частиц жидкости или газа.
Если перемещение частиц жидкости или газа обусловлено разностью
плотностей, то такое перемещение называют естественной конвекцией. При
естественной конвекции, нагретые объемы теплоносителя поднимаются,
охладившиеся опускаются.
7
Если жидкость или газ перемещается с помощью технического устройства
Q
qF
(насоса, вентилятора, эжектора и т.д), то такой процесс теплообмена называют
вынужденной конвекцией. Теплообмен при вынужденной конвекции
происходит значительно интенсивнее, чем при естественной конвекции.
Процесс теплообмена тепловым излучением состоит в переносе тепла от
одного тела к другому электромагнитными волнами. Лучистая энергия
возникает в телах за счет других видов энергии, главным образом, тепловой.
Электромагнитные волны распространяются от поверхности тела во все
стороны со скоростью света. Встречая на своем пути другие тела, лучистая
энергия может ими частично поглощаться, превращаясь снова в теплоту.
При изучении отдельных видов теплообмена используют следующие
общие аксиомы и определения.
1. Передача тепла от одного тела к другому, а также между частицами
данного тела происходит только при наличии разности температур.
2. Тепловой поток всегда направлен в сторону более низкой температуры.
3. Количество теплоты, переносимой в единицу времени, называется
тепловым потоком Q.
Отношение к единице площади F м2называется удельным тепловым
потоком:
4. Распределение температуры в телах обычно определяется с помощью
температурного поля, т.е. совокупности значений температур во всех точках
изучаемого пространства в заданный момент времени. Температура различных
точек тела t может быть определена координатами x, y, z и временем, т.е.
. (1.1)
t=f (x, y, z, τ) δ. (1.2)
8
Рис. 1.1. Изотермические поверхности
3
t
2
t
1
t
1 2 3
t t t t
5. Температурное поле, которое изменяется с течением времени,
называется нестационарным (неустановившимся). При этом тепловой режим и
тепловой поток будут тоже нестационарными.
6. Если температура в любой точке тела с течением времени не изменяется,
то температурное поле называется стационарным (установившимся). В этом
случае тепловой режим и тепловой поток будут также стационарными.
Стационарное температурное поле можно охарактеризовать зависимостью
t= f (x, y, z). (1.3)
Простейшим температурным полем является одномерное стационарное
поле, которое характеризуется изменением температуры в направлении одной
координатной оси. Такое температурное поле можно выразить уравнением
t=f(x). (1.4)
7. Изотермической поверхностью принимается геометрическое место
точек с одинаковой температурой. Температурное поле в рассматриваемом теле
или системе тел характеризуется изотермической поверхностью. Такие
поверхности могут быть замкнуты. Изотермические поверхности между собой
никогда не пересекаются.
9
8. Если изотермические поверхности пересечь плоскостью, то на
dtgrad
n
t
q
плоскости сечения получим изотермические линии, называемые изотермами.
Взаимное расположение изотерм (рис. 1.1) наглядно характеризует
распределение температур в теле и интенсивность изменения температуры в
различных направлениях.
9. Наибольшее изменение температуры на единицу длины получается в
направлении нормали к изотермическим поверхностям. Производная
температуры по нормали к изотермической поверхности называется
температурным градиентом и обозначается grad, его размерность – С0/м.
1.2. Закон «Фурье» и коэффициент теплопроводности
Основным законом теплопроводности является Закон Фурье (1822 г.). Он
устанавливает взаимосвязь между удельным тепловым потоком и
температурным градиентом:
,
(1.5)
где λ – множитель пропорциональности, который называется коэффициентом
теплопроводности и имеет размерность вт/м2град.
Знак минус указывает, что вектор теплового потока направлен в сторону,
противоположную температурному градиенту.
Из уравнения (1.5) видно, что коэффициент теплопроводности
количественно равен удельному тепловому потоку при температурном
градиенте, равном единице – изменение температуры в 10 на единицу длины.
Коэффициент теплопроводности является важной теплофизической
характеристикой вещества; чем больше λ, тем большей теплопроводностью
обладает материал.
его структуры, влажности, наличия примесей, температуры и других факторов.
Наибольший коэффициент теплопроводности имеют металлы и сплавы.
Величина коэффициента теплопроводности зависит от природы вещества,
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]