Теоретические основы теплотехники -УКР

допоміжних механізмів.

ηм = 0.7...…092

10.928.Ефективний ККД і витрата палива.

згоряння палива; m – витрата палива, кг/з

Для карбюраторних двигунів ηе = 0.22...…032

Для дизельних двигунів ηе = 0.32...…050.50

для нафтових палив

Для карбюраторних двигунів ge = 0.27...…04кг/квт година Для дизельних двигунів ge = 0.16...…027кг/квт година

10.9. Перспективні напрямки в розвитку д.в.с.

Сумарна потужність усіх д.в.с. значно перевищує сумарну потужність всіх електростанцій. Вони є одними з головних забруднювачів навколишнього середовища.

Карбюраторні д.в.с. викидають в атмосферу окис вуглецю (З), тетроетілсвінець Рв(З2Н5)4, що застосовується як антидетонатор.

Дизельні двигуни дають викиди сажі, вуглеводнів.

І карбюраторні, і дизельні дають викиди в атмосферу альдегіди, окисли азоту.

В даний час проводяться велику кількість досліджень і робіт з перекладу д.в.с. на інші палива:

1.Газоподібні паливо, зріджені гази;

2.Спирти (особливо в тропічних країнах);

3.Водень як паливо. Такі дослідження ведуться, зокрема в співдружності з інститутом проблем машинобудування АН УРСР.

11. ОСНОВИ ТЕПЛООБМІНУ.

Теорія теплообміну - наука про процеси поширення теплоти у твердих, рідких і газоподібних тілах.

Згідно 2 закону термодинаміки мимовільний процес переносу теплоти в просторі виникає під дією різниці температур і спрямований убік зменшення температури. Закономірності переносу теплоти і кількісні характеристики цього процесу є предметом дослідження теорії теплообміну.

Розрізняють три основних види (способу) передачі тепла: теплопровідність; (нагрівши стрижня)

конвекція; (калорифери)

теплове випромінювання; (сонячна енергія)

Теплопровідність - молекулярний перенос теплоти в суцільному середовищі. Цей процес виникає при нерівномірному розподілі температур у середовищі. Перенос теплоти відбувається між безпосередньо дотичними чи тілами частками тіл з різною температурою.

Конвекція - перенос теплоти при переміщенні обсягів чи рідини газу в просторі. Відбувається тільки в чи газах рідинах. При цьому перенос теплоти нерозривно зв'язаний із самим переносом середовища.

У теорії теплообміну, як і в гідромеханіці, терміном “рідина” позначається будь-яке суцільне середовище, що володіє властивістю плинності. Підрозділ на “ краплинну рідину” і “газ” здійснюється тільки в тому випадку, коли агрегатний стан речовини грає в розглянутому процесі істотну роль.

Теплове випромінювання - процес поширення теплоти з електромагнітними хвилями. При цьому внутрішня енергія тіла переходить в енергію випромінювання, електромагнітні хвилі поширюються в просторі, енергія випромінювання поглинається іншими тілами.

Елементарні процеси поширення тепла - теплопровідність, конвекція і теплове випромінювання звичайне відбуваються спільно.

Види переносу тепла.

Теплопровідність у чистому виді здебільшого має місце лише у твердих тілах. Конвекція теплоти завжди супроводжується теплопровідністю. Одночасний перенос теплоти конвекцією і теплопровідністю називають конвективним теплообміном.

Тепловіддача (конвективна тепловіддача) - обмін теплом між твердою поверхнею і рідиною шляхом теплопровідності і конвекції.

Радіаційно - кондуктивний теплообмін - обмін теплом при передачі його теплопровідністю і випромінюванням.

Радіаційно - конвективний (складний) теплообмін - передача теплоти конвекцією, теплопровідністю і випромінюванням - сукупність усіх трьох видів переносу теплоти.

Теплопередача - процес теплообміну між двома рідкими теплоносіями, розділеними твердою стінкою.

11.1. Теплопровідність.

Металах основний передавач теплоти - вільні електрони. У діелектриках і рідинах тепло передається шляхом пружних хвиль. У металах вплив коливань є другорядним у порівнянні з переносом енергії шляхом дифузії вільних електронів.

Угазах перенос енергії обумовлений дифузією молекул і атомів. Т.о. теплопровідність обумовлена рухом мікрочастинок речовини.

Урідинах і газах чиста теплопровідність може бути реалізована тільки при відсутності переносу тепла конвекцією.

Температурне поле.

Температурне поле - сукупність температур усіх крапок досліджуваного простору в кожен момент часу.

t = t (x,y,z, ) - цим рівнянням описується температурне поле в загальному виді.

Температура змінюється як від однієї крапки до інший, так і в часі. Таке поле називається нестаціонарним.

Якщо температура в кожній крапці полючи не змінюється в часі, то таке поле називається стаціонарним.

Поля можуть бути трьох-, двох- і однокамерними, причому як стаціонарними, так і

Цими рівняннями описуються двомірні й одномірні полючи.

Температурний градієнт.

Ізотермічна поверхня - геометричне місце крапок з рівними температурами.

Т.к. одна крапка не може мати двох температур, те ізотермічні поверхні ніколи не перетинаються один з одним. Замикаються самі на себе чи обриваються на границях тіла.

Ізотерма - лінія перетинання ізометричної поверхні з площиною. Ізотерми також ніколи не перетинаються один з одним.

На малюнку зображені дві ізотерми, температури яких відрізняються на t

(t/(n ((t/(x тому що (n((x

Т.к. температура уздовж ізотермічної чи поверхні ізотерми не змінюється, те для її зміни варто рухатися в напрямках, що перетинають ізотермічні поверхні.

Найбільший перепад на единицу довжини відбувається по напрямку нормалі до ізотерми.

Градієнт температури - вектор, спрямований по нормалі до ізотермічної поверхні убік зростання температури і рівний похідної температури по напрямку

grad t = n t/ n ; n - одиничний вектор У проекціях

(grad t)x = t/ x (grad t)y = t/ y (grad t)z = t/ z

Оскільки n = 1, те t/ n також називають температурним

[grad t] = K/M = C/M градієнтом.

Тепловий потік Тепловий потік - кількість тепла, стерпна через яку-небудь поверхню в одиницю

часу.

Питомий тепловий потік* (щільність теплового потоку) - кількість тепла, стерпна через одиницю площі ізотермічної поверхні в одиницю часу

Питомий тепловий потік також є векторною величиною* , спрямований по нормалі до ізотермічної поверхні убік убування температури

Закон Фур'є.* Основний закон теплопровідності (закон Фур'є) говорить,

що кількість теплоти, що проходить через елемент ізотермічної поверхні, пропорційно градієнту температури і тривалості проміжку часу.

Коефіцієнт теплопровідності.

Є теплофізичной характеристикою матеріалу. [ ] = [q]/[grad t] = Ут/м2 к/м = Ут/м ДО

Коефіцієнт теплопровідності чисельно дорівнює кількості теплоти, що проходить через одиницю ізотермічної поверхні в одиницю часу при одиничному градієнті температури.

У загальному випадку = (t).

Для багатьох матеріалів його залежність від температури визначається по формулі

= [ 1+b(t-t ) ]

1. Метали. (= 3 ( 458 Ут/м( ДО Зі збільшенням температури убуває. Коефіцієнт тепло- і електропровідності в

металів пропорційні, тому що носії теплової енергії і заряду ті самі - електрони.

Для сплавів коефіцієнт теплопровідності нижче, ніж для чистих металів. Зі збільшенням температури росте.

2. Неметали. ( = 0,02 ( 3 Ут/м(ДО Звичайно зі збільшенням температури росте.

Багато будівельних і теплоізоляційних матеріалів мають пористу структуру. Для нихумовна величина, що має сенс коефіцієнта теплопровідності “еквівалентного суцільного матеріалу”.

Матеріали з 0,25 Ут/м До називаються теплоізоляційними.

Рідини. = 0,08 0,65 Ут/м ДО Зі збільшенням температури убуває (за винятком води). 4. Гази. = 0,005 0,6 Ут/м ДО

Зі збільшенням температури росте (і досить істотно) Крайові умови.

Диференціальне рівняння Фур'є описує явище теплопровідності в самому загальному виді. Застосування його в конкретних випадках вимагає знання розподілу температур у тілі в початковий момент часу (початкові умови). Крім того, повинні бути відомі фізичні параметри середовища і тіла і розподіл температур на поверхні тіла (граничні умови).

Граничні умови можуть бути задані трьома способами. 1.Граничні умови 1 роду.

Задається розподіл температури на поверхні тіла для кожного моменту часу.

tc = tc(x,y,z, ). 2. Граничні умови 2 роду.

Задається поверхнева щільність теплового потоку в кожній крапці поверхні тіла в будь-який момент часу.

qn = qn (x,y,z, ).

3. Граничні умови 3 роду.

Задається температура середовища, що оточує тіло, і закон теплообміну між поверхнею тіла і навколишнім середовищем.

При конвективному теплообміні використовується закон Ньютона -Ріхмана. q = ( tc - tж ), де - коефіцієнт тепловіддачі

Кількість теплоти, що віддається одиницею поверхні тіла в одиницю часу,

пропорційно різниці температур поверхні тіла і навколишнього середовища. [ ] = Ут/м2 до

Коефіцієнт тепловіддачі чисельно дорівнює кількості теплоти, що віддається (чи сприйманому) одиницею поверхні в одиницю часу при різниці температур поверхні і навколишнього середовища в 1 ДО.

Теплопровідність через одношарову плоску стінку

Процес розглядається при стаціонарному режимі, при відсутності внутрішніх джерел

тепла.

Т.к. q/ = t1 - t2/ , те t = t1 - q/ x

2. Тепер розглянемо випадок, коли = (t) Якщо = (1 + bt), то закон Фур'є приймає вид q = - dt/dx = - (1 + bt) dt/dx.

Розділяємо перемінні qdx = - (1 + bt) dt ;

qx = - (t + bt2/2) + C. t = t1

x = 0

теплопровідності.

Тоді q = порівн/ (t1-t2)

Тепловий потік визначається різницею температур, що називають температурним напором.

t = t1 -t2

Теплопровідність багатошарової плоскої стінки

Вважаємо, що всі шари щільно прилягають друг до друга

Теплові потоки для кожного із шарів рівні тому що

Відношення / називається тепловою провідністю

стінки

[ / ] = Ут/м2 К.

Відношення / називається термічним опором стінки

[ / ] = м2 ДО/Ут.

Rc = / - термічний опір теплопровідності.

Температура в кожнім шарі стінки змінюється по лінійному законі. Температурний графік для багатошарової плоскої стінки - ламана лінія.

Іноді вираження Q = F t/( ni=1 i/ i) називають законом Ома для теплового ланцюга.

Порівняння : І = U/( ni=1 Ri) = S U/( ni=1 L/ )

Іноді вводиться поняття еквівалентної теплопровідності. При цьому думають

Звідси жв. = ni=1 i/ ni=1 ( i/ i) - еквівалентний коефіцієнт теплопровідності.

Теплопровідність циліндричної стінки.

Вважаємо, що температура змінюється тільки в радіальному напрямку, тобто t = t(r) ; = Const

Тоді тепловий потік через ділянку кільцевого шару труби довжиною L складе

Q = - 2 rL dt/dr.

Розділяючи перемінні одержимо

Q = (t1-t2)/Ln r2/r1 2 L ; q= Q/L

Тепловий потік на одиницю довжини циліндра q= (t1-t2)/(1/2 Ln r2/r1)

Температура усередині стінки змінюється по логарифмічній кривій. Це порозумівається тим, що щільність теплового потоку змінюється зі зміною радіуса.

Багатошарова циліндрична стінка.

Стінка складається з щільно прилягаючих циліндричних шарів. i = Const Для кожного шару

qL = (t1-t2)/(1/2 1 Ln r2/r1);t1- t2=qL/2 1 Ln r2/r1 qL = (t2-t3)/(1/2 2 Ln r3/r2);t2- t3=qL/2 2 Ln r3/r2 qL = (t4-t3)/(1/2 2 Ln r4/r3);t4-t3=qL/2 3 Ln r4/r3

Тоді t1-t4=(qL/2 ) (1/ 1 Ln r2/r1+1/ 2 Ln r3/r2+1/ 3 Ln r4/r3 qL=(2 (t1-t4))/(1/ 1 Ln r2/r1+1/ 2 Ln r3/r2+1/ 3 Ln r4/r3

У загальному випадку

Q = (2 L(t1-tn+1))/( ni=1 1/ i Ln ri+1/r1

Теплопровідність тіл довільної форми.

Кількість теплоти, що проходить через стінки тіл неправильної форми, можна визначити по рівнянню

Якщо температура стінки в окремих місцях різна, то середню розрахункову

температуру визначають по формулі

tср = 1/F td ( ni=1tiFi)/( ni=1Fi), де F = ni=1Fi.

12. КОНВЕКТИВНИЙ ТЕПЛООБМІН

Основні поняття і визначення.

Конвекція теплоти - перенос тепла переміщенням у просторі чи рідини газу з області з однією температурою в область з іншою температурою.

Перенос теплоти при конвекції супроводжується переносом середовища, тобто масообміном.

Тепловіддача - конвективний перенос теплоти між твердою стінкою й омиваючей її рідиною.

Відповідно до закону Ньютона - Ріхмана питомий тепловий потік від стінки до рідини пропорційний різниці температур між стінкою і рідиною:

q= (tСТ-tСЖ)

Відповідно для стінки площею F:

Q= F(tСТ-tСЖ)

Рівняння Ньютона - Ріхмана дуже зручно для розрахунків, однак основна складність полягає в труднощі визначення коефіцієнта тепловіддачі .

Коефіцієнт тепловіддачі чисельно дорівнює кількості теплоти, стерпній через одиницю поверхні стінки в одиницю часу при різниці температур між стінкою і рідиною 1 ДО.

вт

м2 К

Коефіцієнт тепловіддачі в загальному випадку залежить від багатьох факторів і параметрів руху.

= ( , , , , tЖ, tСТ, l1, l2, l3, Ф...) l3 - характерні розміри тіл;

Ф - форма тіла.

Диференціальні рівняння конвективного теплообміну.

У загальному випадку задачі конвективного теплообміну зводяться до рішення наступних диференціальних рівнянь:

1. Диференціальне рівняння теплопровідності

x

Для ідеальної рідини сили в'язкості відсутні. Рівняння Навьє-Стакса спрощується рівняннями Ейлера.

3. Рівняння нерозривності.

Для нестисливої рідини в стаціонарному процесі

4. Рівняння конвективного теплообміну

Це рівняння називають рівнянням Фурье-Кірхгофа.

Якщо W= 0, то рівняння приймає вид диференціального рівняння теплопровідності.

5. Рівняння тепловіддачі.

Крім цих рівнянь необхідно увести визначені крайові умови.

Аналітичне рішення системи диференціальних рівнянь конвективного теплообміну отримано лише два ряди обмеженого числа задач. Для розрахунку складних процесів використовують результати експериментальних досліджень і теорію подоби.

12.2Фактори, що впливають на інтенсивність конвективного теплообміну.

1.Вільна і змушена конвекція.

По природі виникнення розрізняють два види руху - вільне і змушене. Вільний рух відбувається внаслідок різниці щільностей нагрітих і холодних часток рідини, що знаходяться в поле дії сил ваги; воно називається також природною конвекцією і залежить від роду рідини, різниці температур, обсягу простору, у якому протікає процес.

Змушений рух виникає під дією сторонніх побудників (насоса, вентилятора, вітру). У загальному випадку поряд зі змушеним рухом одночасно може розвиватися і вільне.

2. Ламінарний і турбулентний рух.

Рух рідини може бути ламінарним чи турбулентної. При ламінарному режимі частки рідини рухаються пошарово, не перемішуючи. Турбулентний режим характеризується безупинним перемішуванням усіх шарів рідини. Перехід ламінарного режиму в