_{Министерство образования и науки РФ}

_{КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ}

Основы теплопередачи и механики жидкости

_КАЗАНЬ

₂₀₁₃

_{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, устройства 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 в 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 т.п.}

_{Первые данные в области механики жидкости относятся к 237-212 годам до нашей эры. Закон о равновесии тела погруженного в жидкость – закон древнегреческого ученого Архимеда. В средние века в познание механики жидкости был внесен большой вклад учеными Европы - Стевином, Торичелли, Паскалем.}

_{В развитие областей механики жидкости большой вклад внесли российские ученые Элейлер 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. Лойцянского, Евриинова и д.р.}

_{Современный уровень развития механики жидкости и теплопередачи позволяют решать большой сектор технических проблем.}

Глава 1

_{ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОЕПЕРЕДАЧИ}

_{1.1Общие сведения}

_{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.}

_{1.2 Виды передачи тепла.}

_{Теплообмен представляет собой совокупность сложных процессов. 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,), сопровождающемся 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.}

_{Перемещение частиц жидкости или газа обусловленное разностью плотностей, то такое перемещение называют естественной конвекцией. При естественной конвекции нагретые объемы теплоносителя поднимаются, охладившиеся опускаются.}

_{Если жидкость или газ перемещается с помощью технического устройства (насоса, вентилятора, эжектора и т. д), то такой процесс теплообмена называют вынужденной конвекцией. Теплообмен при вынужденной конвекцией 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 .}

_{Отношение к единице площади F мназывается удельным тепловым потоком:}

_(1.2.1)

_{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.}

_{t=f(x, y, z , ) (1.2.2).}

_{Рис. 1.2.1}

_{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) (1.2.3).}

_{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) (1.2.4).}

_{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.}

_{8. Если изотермические поверхности пересечь плоскостью, то на плоскости сечения получим изотермические линии, называемые изотермами. Взаимное расположение изотерм (Рис.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- 0С/м.}

_{1.3. ЗАКОН ФУРЬЕ И КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ}

_{Основным законом теплопроводности является Закон Фурье (1822 г.).Он устанавливает взаимосвязь между удельным тепловым потоком и температурным градиентом:}

_(1.2.5),

_{где - множитель пропорциональности, который называется коэффициентом теплопроводности и имеет размерность .}

_{Знак минус указывает, что вектор теплового потока направлен в сторону, противоположную температурному градиенту.}

_{Из уравнения (1.4) 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 , тем большей теплопроводностью обладает материал.}

_{Величина коэффициента теплопроводности зависит от природы вещества, его структуры, влажности, наличия примесей, температуры и других факторов. Наибольший коэффициент теплопроводности имеют металлы и сплавы Изотермической поверхностью 7-420 .}

_{Теплоизоляционные, керамические и строительные материалы обладают значительно меньшим коэффициентом теплопроводности - 0,023-2,9 .}

_{В расчетах коэффициент теплопроводности строительных материалов следует принимать по СНиП П-3-79* «Строительная теплотехника».М ГП ЦПП 1995. Значения коэффициента теплопроводности приведены в таблице 1}

_{Таблица 1}

Материал	Коэффициент теплопроводности
Бетон на гравии или щебне из природного камня	1,45
Керамзитобетон при плотности 1200 кг/м3	0,46
Грунт растительный под зданием	1,16
Кирпичная кладка из обыкновенного глиняного кирпича на легком растворе	0,76
Сложный раствор (песок, цемент, известь) или штукатурка из него	0,86
Алюминий	221
Сталь	58
Чугун	50
Вода (0-100 0С)	0,55-0,7
Лед	2,5
Воздух	0,024-0,075
Снег, уплотненный при плотности 350 кг/м3	0,35