Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплообмен. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В.И. Дождиков, А.О. Ганул
ТЕПЛООБМЕН
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2017
УДК 536.4. (07)
Д612
Рецензенты:
каф. гуманитарных и естественнонаучных дисциплин Липецкого филиала
РАНХиГС, зав. каф., д-р техн. наук, проф. Малыш В.Н.;
д-р техн. наук, зав. каф. «Технология сварочного производства и диагностики»
Воронежского государственного технического университета проф. Пешков В.В.
Дождиков, В.И.
Д612 Теплообмен [Текст]: учеб. пособие / В.И. Дождиков, А.О. Ганул. –
Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета,
2017. – 84 с.
ISBN 978-5-88247-850-5
Учебное пособие содержит теоретические сведения по курсу «Теплооб-
мен». Приведены задачи по основным темам. Типовые задачи снабжены решениями.
Предназначено для студентов направления подготовки «Наноинженерия»
при выполнении практических заданий по дисциплине «Теплофизика».
Ил. 28. Табл. 3. Библиогр.: 6 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ЛГТУ
УДК 536.4. (07)
ISBN 978-5-88247-850-5 © ФГБОУ ВО «Липецкий
государственный технический
университет», 2017
3
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………...
5
1.
Виды теплообмена……………………………………………………...
6
2.
Теплопроводность………………….…………………………………..
7
2.1.
Температурное поле. Закон Фурье……………………………….........
7
2.2.
Теплопроводность при стационарном режиме……………………….
11 2.2.1. Однородная плоская стенка……………………………………..
11
2.2.2. Многослойная плоская стенка…………………………………..
12
2.2.3. Цилиндрическая стенка………………………………………….
14
2.3.
Дифференциальное уравнение теплопроводности…………………..
16
2.4.
Нестационарная теплопроводность……………………………….......
23
2.5.
Задачи……………………………………………………………………
27
3.
Конвективный теплообмен…………………………………………….
30
3.1.
Основной закон конвективного теплообмена…………………..…….
30
3.2.
Пограничный слой……………………………………………………...
31
3.3.
Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена……….
35
3.4.
Основы теории подобия………………………………………………..
37
3.5.
Критериальные зависимости для определения
коэффициентов теплоотдачи……………………………….................
40
3.6.
Теплоотдача при изменении агрегатного состояния вещества….......
43
3.7.
Задачи……………………………………………………………………
48
4.
Теплопередача…………………………………………………………..
51
4.1.
Теплопередача через плоскую стенку…………………………….......
51
4.2.
Задачи……………………………………………………………………
53
5.
Теплообмен излучением……………………………………………….
55
5.1.
Основные понятия теплообмена излучением…………………….......
55
5.2.
Законы Планка и Вина…………………………………………………
58
5.3.
Закон Стефана-Больцмана……………………………………………..
59
5.4.
Закон Кирхгофа…………………………………………………………
60
4
5.5.
Закон Ламберта…………………………………………………………
61
5.6.
Теплообмен излучением между двумя параллельными
пластинами……………………………………………………………..
62
5.7.
Лучистый теплообмен между двумя телами, одно из которых
находится в полости другого тела…………………………………….
65
5.8.
Теплообмен излучением при наличии экранов………………………
66
5.9.
Особенности излучения газов…………………………………………
67
5.10.
Сложный теплообмен…………………………………………………..
69
5.11.
Задачи……………………………………………………………………
70
6.
Теплообменные аппараты……………………………………………..
73
6.1.
Типы теплообменных аппаратов………………………………………
73
6.2.
Расчет теплообменных аппаратов…………………………………….
76
6.3.
Виды теплового расчета теплообменных аппаратов………………...
79
6.4.
Задачи……………………………………………………………………
80
Заключение...............................................................................................
82
Библиографический список……………………………………………
83
5
ВВЕДЕНИЕ
Курс «Теплообмен», изучающий методы передачи и использования теплоты и связанных с этим аппаратов и устройств, является базовой дисциплиной
для ряда инженерных специальностей.
Производство наноматериалов характеризуется широким использованием
различных тепловых процессов. Нанотехнологии позволяют создавать материалы с новыми эксплуатационными свойствами, которые в значительной степени зависят от их физических свойств (теплопроводности, температуры плавления, теплоемкости, плотности, тепловых эффектов фазовых переходов). Проведение расчетов, анализа и получение информации о таких материалах требуют
знаний, умений и практических навыков в области решения теплофизических
проблем создания и использования как нанотехнологического оборудования,
так и наноматериалов.
В учебном пособии качественно и доступно изложен теоретический ма-
териал по основам теплопроводности, конвективного теплообмена и излучения
и методические рекомендации к решению задач в этой области. Приведены
примеры решения задач для основных разделов теплообмена. В результате
освоения курса студенты должны овладеть не только теорией, но и методами
расчета основных процессов теплообмена. Помимо лекций изучение курса теплообмена сопровождается решением задач, поэтому в учебное пособие включены прикладные задачи, удовлетворяющие требованиям направления подготовки «Наноинженерия».
Применение полученных знаний при освоении курса «Теплообмен» с ис-
пользованием этого учебного пособия позволит студентам приобрести умения
и навыки решения основных теплофизических проблем, что, безусловно, пригодится им при освоении спецкурсов и в дальнейшей практической деятельности.
6
1. ВИДЫ ТЕПЛООБМЕНА
Теория теплообмена представляет собой учение о процессах распростра-
нения теплоты в пространстве с неоднородным полем температур. Существуют
три основных вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.
Теплопроводность – это перенос теплоты между непосредственно со-
прикасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой,
при котором происходит обмен энергией движения или колебаний структурных
частиц (молекул, атомов, свободных электронов).
Конвекция осуществляется путем перемещения в пространстве не рав-
номерно нагретых объемов среды. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.
Конвективный теплообмен – это совместный процесс переноса теплоты
конвекцией и теплопроводностью.
Теплоотдача является частным случаем конвективного теплообмена.
Это конвективный теплообмен между твердой стенкой и омывающей ее движущейся (газ, жидкость) средой.
Излучением называется теплообмен, включающий переход внутренней
энергии тела в энергию излучения, распространение электромагнитных волн,
преобразование энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела. При
этом тепловая энергия передается через все лучепрозрачные среды, в том числе
и через вакуум.
Многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом веще-
ства – массообменом, который проявляется в установлении равновесной концентрации вещества.
Совместное протекание процессов теплообмена и массообмена называет-
ся тепломассообменом.
7
2. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
, , ,t f x y z
,
(2.1)
2.1. Температурное поле. Закон Фурье
Газы, жидкости и твердые тела в теории теплообмена рассматриваются
феноменологически, то есть как сплошная среда, при этом пренебрегают особенностями микроскопической структуры вещества и дискретным характером
его строения.
Теплопроводность в такой сплошной среде с точки зрения молекулярно–
кинетических представлений – это перенос энергии вследствие теплового движения и энергетического взаимодействия между микрочастицами (молекулами,
атомами, электронами), из которых состоит тело. При этом полагают, что тела
гомогенны и изотропны, а размеры объектов исследования достаточно велики
по сравнению с расстояниями эффективного межмолекулярного взаимодействия.
В газах теплота переносится с помощью атомов и молекул, аналогично
переносу вещества путем диффузии или переносу количества движения, обусловливающему возникновение сил вязкого трения.
В жидкостях и диэлектриках передача теплоты осуществляется в основ-
ном квантами упругих колебаний взаимодействующих молекул или атомов
кристаллической решетки - фононами.
В металлах основной перенос теплоты осуществляется за счет соударений
и диффузии свободных электронов, доля фононной теплопроводности мала.
Температурным полем называется совокупность значений температуры
во всех точках тела в данный момент времени. Математически оно описывается
в виде
где t – температура тела; х, у, z – координаты точки; – время.
Если температура изменяется только по одной или двум пространствен-
ным координатам, то температурное поле называют соответственно одно- или
двухмерным.
8
Температурное поле может быть нестационарным и стационарным. В
, , ,t f x y z
;
(2.2)
,,t f x y z
.
(2.3)
,,t f x y
,
=0
dt
dz
,
(2.4)
,t f x y
,
0
dt
dz
,
0
dt
d
.
(2.5)
,t f x
,
0
dt dt
dz dy
(2.6)
t f x
,
0
dt dt
dz dy
,
0
dt
d
.
(2.7)
grad / .t t n
Рис. 2.1
первом случае считается, что поле изменяется во времени:
во втором – нет:
В соответствии с этим и процесс теплопроводности рассматривают как
стационарный или нестационарный.
При практическом решении задач по теплопроводности определяют па-
раметры различных вариантов температурных полей. Самыми распространенными являются следующие. Это, например, двухмерное температурное поле
для нестационарного режима:
и для стационарного режима:
Это одномерное температурное поле для нестационарного режима:
и для стационарного режима:
Изотермическая поверхность – геометрическое место точек, температура в которых одинакова.
Градиент температуры – это вектор, направленный по
нормали к изотермической поверхности и численно
равный производной от температуры по этому направлениию (рис. 2.1):
(2.8)
9
Этот вектор является мерой интенсивности изменения температуры в рас-
grad qt
,
(2.9)
2
.
dQ
t
dFd
n
(2.10)
сматриваемом направлении и направлен в сторону возрастания температуры.
Для характеристики интенсивности теплообмена используются понятия
теплового потока и плотности теплового потока.
Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произволь-
ную поверхность площадью F, называется мощностью теплового потока или
просто тепловым потоком (Q, Вт).
Интенсивность переноса теплоты характеризуется также плотностью
теплового потока (q, Вт/м2), т.е. количеством теплоты, передаваемой в едини-
цу времени через единичную площадь изотермической поверхности.
Закон Фурье устанавливает, что плотность теплового потока при тепло-
проводности пропорциональна градиенту температуры:
где λ – коэффициент теплопроводности вещества (Вт/(м.К).
Знак «минус» в этом уравнении указывает на то, что тепловой поток противоположен по направлению вектору grad t, т.е. он направлен в сторону
уменьшения температуры в соответствии со вторым началом термодинамики.
Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества, характеризующим его способность проводить теплоту. Физический
смысл коэффициента теплопроводности можно определить из уравнения
Численно коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты,
проходящему в единицу времени через единицу изотермической поверхности
при градиенте температуры, равном единице.
Значения коэффициентов теплопроводности приводятся в справочниках
по теплофизическим свойствам веществ. Для большинства материалов зависимость коэффициента теплопроводности от температуры приближенно можно
выразить в виде линейной функции
10
00
1,b t t
(2.11)
где λ0 – значение коэффициента теплопроводности при температуре t0 = 0 °С;
b – постоянная, определяемая опытным путем.
Коэффициент теплопроводности газов, которые хуже всего проводят теп-
ло, возрастает с увеличением температуры и составляет 0,006 … 0,6 Вт/(м·К).
Наибольшее значение относится к гелию и водороду, коэффициент теплопроводности которых в сотни раз больше, чем у других газов. Коэффициент теплопроводности воздуха при 0 °С равен 0,0244 Вт/(м·К).
Для жидкости λ = 0,07 … 0,7 Вт/(м·К) и, как правило, уменьшается с уве-
личением температуры. Коэффициент теплопроводности воды с увеличением
температуры возрастает до максимального значения 0,7 Вт/(м·К) при t = 120 °С
и затем уменьшается.
Максимальными значениями коэффициента теплопроводности обладают
графен и алмаз. Хорошими проводниками теплоты являются металлы, у которых λ = 20 … 418 Вт/(м·К), что на один-два порядка меньше. Самый теплопроводный металл - серебро. Для большинства металлов коэффициент теплопроводности убывает с возрастанием температуры, а также при наличии разного
рода примесей. Поэтому коэффициент теплопроводности легированных сталей
значительно ниже, чем чистого железа.
Материалы с λ < 0,25 Вт/(м·К), обычно применяемые для тепловой изо-
ляции, называют теплоизоляционными. Большинство теплоизоляционных и
строительных неметаллических материалов имеют пористое строение, что не
позволяет рассматривать их как сплошную среду.
Коэффициент теплопроводности пористых материалов является условной
величиной, характеризующей перенос теплоты как теплопроводностью, так и
конвекцией и излучением через заполненные газом поры. Увеличение размеров
пор приводит к ухудшению теплоизоляционных свойств материала вследствие
появления конвективных токов в порах. Коэффициент теплопроводности пори-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]