Міністерство освіти і науки, молоді і спортуУкраїни
Запорізька державна інженерна академія
С.В. Башлій
Ю.В. Мосейко
ОСНОВИ РОЗРАХУНКІВ
ТЕПЛОМАСООБМІНИХ ПРОЦЕСІВ
Навчально-методичний посібник
з основ розрахунків тепломасообміних процесів
для студентів ЗДІА
спеціальності 8.090401 "Металургія чорних металів"
денної і заочної форми навчання
Запоріжжя
2012
Міністерство освіти і науки, молоді і спортуУкраїни
Запорізька державна інженерна академія
ОСНОВИ РОЗРАХУНКІВ
ТЕПЛОМАСООБМІНИХ ПРОЦЕСІВ
Навчально-методичний посібник
з основ розрахунків тепломасообміних процесів
для студентів ЗДІА
спеціальності 8.090401 "Металургія чорних металів"
денної і заочної форми навчання
Рекомендовано до видання
на засіданні кафедри МЧМ,
протокол № 12 від 05.05.2012р.
Навчально-методичний посібник з оптимізації металургійних процесів за фахом та інформаційних технологій науково-дослідних робіт для студентів ЗДІА спеціальності 8.090401 "Металургія чорних металів"/ Укл. С В.Башлій, Ю.В. Мосейко, Запоріжжя, 2012, 192с.
Укладачі: Башлій С.В., доцент, канд. техн. наук,
Мосейко Ю.В., доцент, канд. педагогічн. наук
Відповідальний за випуск: зав. кафедрою МЧМ,
професор С.А.Водєнніков
ЗМІСТ
Вступ. ТепломасообМіН 7
РОЗДІЛ 1. Основні поняття теплообміну………………………………………….7
1.1. Температурне поле. Ізотермічна поверхня……………………………………7
1.2. Градієнт температури…………………………………………………………..9
1.3. Кількість теплоти. Тепловий потік. Питомі теплові потоки………………..10
1.4. Елементарні способи передачі теплоти (види процесів теплообміну)……..12
1.5. Складний теплообмін. Тепловіддача і теплопередача………………………12
Контрольні питання до розділу 1………………………………………………….15
РОЗДІЛ 2. Теплопровідність………………………………………………………17
2.1. Основний закон теорії теплопровідності. Закон (гіпотеза) Фур'є………….17
2.2. Енергетична форма запису закону Фур'є. Коефіцієнт температуропровідності……………………………………………………………18
2.3. Диференціальне рівняння теплопровідності. (Диференціальне рівняння Фур'є)………………………………………………………………………………..20
2.4. Умови однозначності, необхідні для вирішення рівняння Фур'є…………..22
2.4.1. Початкові умови (ПУ)………………………………………………..23
2.4.2. Граничні умови (ГУ)………………………………………………….23
2.5. Методи рішення краєвої задачі в теорії теплопровідності………………….26
2.6. Нестаціонарна теплопровідність в тілах простої форми……………………27
2.7. Стаціонарна теплопровідність в плоскій і циліндровій стінках……………32
Контрольні питання до розділу 2………………………………………………….37
РОЗДІЛ 3. Теплопередача………………………………………………………….39
3.1. Теплопередача через плоску стінку…………………………………………..39
3.2. Теплопередача через циліндрову стінку……………………………………..43
3.3. Алгоритм розрахунку теплопередачі через непроникні стінки……………46
3.4. Єдина формула теплопередачі через стінки класичної форми…………….48
3.5. Інтенсифікація теплопередачі………………………………………………...49
Контрольні питання до розділу 3…………………………………………………………...51
РОЗДІЛ 4. Конвективний теплообмін в однофазних середовищах……………..54
4.1. Основні поняття і визначення………………………………………………...54
4.2. Диференціальні рівняння конвективного теплообміну……………………..56
4.3. Основні положення теорії подібності………………………………………...60
4.4. Основні критерійні рівняння (довідкові дані)……………………………….70
4.4.1. Конвективна тепловіддача при вільному русі плинного середовища……70
4.4.2. Конвективна тепловіддача при вимушеному русі плинного середовища в трубах і каналах…………………………………………………………………….73
4.4.3. Конвективна тепловіддача при вимушеному зовнішньому обтіканні тіл.76
4.5. Алгоритм розрахунку коефіцієнта тепловіддачі по критерійних рівняннях82
Контрольні питання до розділу 4………………………………………………….83
РОЗДІЛ 5. Конвективний теплообмін при конденсації пари і кипінні рідин…..85
5.1. Тепловіддача при конденсації пари…………………………………………..86
5.2. Тепловіддача при кипінні рідин………………………………………………95
Контрольні питання до розділу 5………………………………………………...106
РОЗДІЛ 6. Теплообмін випромінюванням………………………………………108
6.1. Основні поняття і визначення……………………………………………….108
6.2. Основні закони випромінювання абсолютно чорного тіла (АЧТ)………..113
6.3. Випромінювання реальних тіл. Закон Кирхгофа…………………………..116
Контрольні питання до розділу 6………………………………………………...119
РОЗДІЛ 7. Масообмін…………………………………………………………….122
7.1. Тепло- і масообмін в двокомпонентних середовищах. Основні положення тепло- і масообміну……………………………………………………………….122
7.1.1. Диференціальні рівняння тепло- і масообміну…………………………...126
7.1.2. Тепло- і масовіддача у двокомпонентних середовищах………………....127
7.1.3. Рівняння конвективної тепло- і масовіддачі……………………………...131
7.2. Потрійна аналогія (аналогія перенесення імпульсу, енергії і маси компонента)………………………………………………………………………..133
7.3. Тепло- і масовіддача при випарі рідини в парогазове середовище. Випар води в повітря…………………………………………………………………......139
7.3.1. Стаціонарний випар краплі………………………………………………..145
7.3.2. Випар краплі при вимушеній конвекції…………………………………..149
7.4. Тепло- і масообмін при хімічних перетвореннях………………………………….151
7.5. Теплообмін між газовою сумішшю і поверхнею розділу фаз…………………..160
Контрольні питання до розділу 7………………………………………………...162
РОЗДІЛ 8. Практика розрахунків тепломасообміних процесів………………..164
8.1. Основні відомості для розрахунку нагріву металу………………………...164
8.2. Вихідні дані для розрахунку 167
8.3. Розрахунок нагріву металу 168
8.3.1. Перший інтервал нагріву першого періоду нагріву 168
8.3.2. Другий інтервал нагріву першого періоду нагріву 172
8.3.3. Другий період нагріву – період витримки 173
8.4. Показники нагріву металу 175
8.4.1 Показники нагріву металу 178
8.4.2 Показники нагріву металу 182
8.4.3 Показники нагріву металу 185
ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 189
Додаток А. Довідкові дані 190
Додаток Б. Допоміжні коефіцієнти 191
Додаток В. Вихідні дані для розрахунку 192