Весна 16 курс 3 ОрТОР / Теория АД / Термодинамика и теплопередача Никифоров А.И.-3

3

10.3.3.Критерии подобия процессов конвективного теплообмена……….....

10.3.4.Теория подобия………………………………………………….…….....

10.4.Моделирование физических явлений………………………………….… 10.5. Определяющая температура……………………………………………

10.6.Теплопередача…………………………………..……………

Примеры решения задач……………………………………………………….

Проверьте, как Вы усвоили материал…………………………………………

Тема 11. Теплообмен излучением

11.1.Основные понятия ………………………………………………..…

11.2.Закон Стефана-Больцмана…………………..…………………….....

11.3.Закон Кирхгофа……………………………………………….……….....

11.4.Защитные экраны………………………………………..……………..…

11.5.Теплообмен в замкнутой полости……………………………….....

11.6.Излучени газов и паров…………………………………..……….....

11.7.Излучение пламени………………………………………………..…

11.8.Расчеты при лучистом теплообмене……………..………………..…

11.9. Лучисто-конвективный теплообмен…………………….....

Примеры решения задач……………………………………………………….

Проверьте, как Вы усвоили материал…………………………………………

Тема 12. Теплообменные аппараты

12.1.Основные типы теплообменных аппаратов……………………………

12.2.Анализ процесса в рекуперативном теплообменном аппарате……….

12.3.Эффективность теплообменника и способы её повышения…………..

Примеры решения задач……………………………………………………….

Проверьте, как Вы усвоили материал…………………………………………

Тема 13. Методы тепловой защиты

13.1.Конвективное охлаждение…………………………………………….

13.2.Пористое охлаждение…………………………………………

13.3.Заградительное (плёночное) охлаждение……………………

13.4.Тугоплавкие теплозащитные покрытия………………………

4

13.5.теплозащитные покрытия……………………………………………….

13.6.Применение методов тепловой защиты в охлаждении лопаток газовых турбин ГТД………………………………………………………….

Проверьте, как Вы усвоили материал…………………………………………

Заключение………………………………………………………………………...

Список использованной литературы……………………..…………

Приложение П.1. ………………………………..…………………………….

Приложение П.2. ……………………………………………………………...

Приложение П.3. …………………………..………………………………….

Приложение П.4. …………………………..………………………………….

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее пособие разработано в соответствии с рабочей программой дисциплины «Термодинамика и теплопередача» по направлению подготовки 162001 Эксплуатация воздушных судов и организация воздушного движения и профилю подготовки «Организация технического обслуживания и ремонта воздушных судов» для авиационных вузов и отражает специфику задач,

стоящих перед будущими авиационными специалистами.

При создании пособия автор исходил из необходимости в небольшом объёме изложить теоретические основы газовой динамики на уровне современных достижений науки, подчинив изложение материала задачам подготовки авиационного инженера (специалиста).

Всоответствии с этим настоящее пособие отлично от других аналогичных изданий большим вниманием к физической сущности изучаемых явлений, несколько иным распределением материала по темам и авиационной направленностью. В частности, здесь более подробно описаны основные уравнения газовой динамики, их применение к элементам ГТД, термодинамика газового потока, что вызвано важным значением этого раздела для подготовки авиационных специалистов; изложение материала построено на примерах авиационной техники, сопровождается решением конкретных задач по тематике рассматриваемых вопросов.

Всвоей работе автор опирался на многолетний учебно-методический опыт высших авиационных ВУЗов Министерства обороны (ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, Киевское ВВИАУ, Ломоносовское ВАТУ, СанктПетербургского ГУГА) и вместе с тем использовал материалы открытой отечественной и зарубежной литературы.

Автор выражает глубокую признательность рецензентам пособия:

за высказанные ими предложения, направленные на улучшение рукописи. Особую благодарность автор выражает студентам инженерно-технического

6

факультета СПГУ гражданской авиации Межину К.А., Байбородиной М.В., Лазареву В.В., Говорову А.Г. в наборе текста и выполнения иллюстраций к данному пособию.

7

Раздел III

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

ТЕМА 9. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТЕЛ ПРИ СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ

9.1. Основные задачи теории теплообмена. Виды переноса тепла

Теплопередачей, или теорией теплообмена, называется наука о закономерностях процессов распространения тепла в телах и процессов обмена теплотой между телами. Практическое значение этой науки чрезвычайно велико, поскольку процессы теплообмена происходят почти повсеместно и являются составной частью множества рабочих процессов машин, двигателей, аппаратов.

Целый ряд важных вопросов конструирования и создания летательных аппаратов и особенно их силовых установок решается на основе теории теплообмена.

В теории теплообмена можно выделить две главные задачи.

Первая задача – определение количества теплоты, которое при заданных условиях проходит из одной части тела в другую или передается от одного тела к другому. Эта задача является главной при расчёте теплообменных аппаратов, при расчёте потерь тепла через изоляцию и т.п.

Вторая задача – определение температуры в различных участках тела участвующего в процессе теплообмена. Эта задача имеет важное значение для расчёта деталей машин и конструкций, так как прочность материалов сильно зависит от температуры, а неравномерное распределение темп ературы вызывает появление термических напряжений.

8

Вобщем случае теплообмен представляет собой сложное явление, которое можно расчленить на ряд простейших видов переноса тепла:

теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Явление теплопроводности состоит в переносе тепла структурными частицами (микрочастицами) вещества – молекулами, атомами, электронами –

впроцессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температуры, но механизм переноса теплоты зависит от агрегатного состояния тела.

Вгазах распространение тепла осуществляется путём обмена энергией молекул и атомов, совершающих поступательные движения, при их столкновениях; в жидкостях и твёрдых телах – неметаллах – в процессе столкновений колеблющихся частиц; в металлах теплопроводность в основном обеспечивается диффузией свободных электронов.

При тепловом излучении энергия распространяется посредством электромагнитных волн. При этом виде теплообмена происходит двойное превращение энергии: внутренняя энергия излучающего тела переходит в лучистую; лучистая энергия, поглощаемая телом, переходит в энергию теплового движения его элементарных частиц.

Два первых вида требуют наличия вещественной среды между телами, обменивающимися теплотой. Третьим способом энергия может передаваться как через промежуточные тела (если они прозрачны для электромагнитного излучения), так и через “пустое” пространство (вакуум).

Процессы теплообмена, встречающиеся в природе и технике, чаще всего представляют собой совокупное действие различных элементарных видов переноса тепла. Например, конвекция сопровождается теплопроводностью.

Совместный процесс переноса тепла конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен может сопровождаться лучистым, например, в камерах сгорания двигателей. В тех случаях, когда при совместном действии

9

нескольких элементарных процессов теплообмена интенсивность отдельных из них невелика, ими часто пренебрегают, рассматривая лишь основные.

Таким образом, в большинстве случаев передача теплоты между телами осуществляется не одним способом, а одновременно двумя или тремя способами. Чтобы облегчить изучение теплообмена, каждый из способов рассматривается отдельно.

В теории теплообмена используются первый и второй законы термодинамики. Первый закон как одна из форм закона сохранения энергии лежит в основе уравнений теплового баланса (уравнение теплопередачи). Второй закон термодинамики определяет направление процесса переноса теплоты, что учитывается введением соответствующего знака в расчётных уравнениях и формулах. Однако для описания конкретных физических условий, в которых происходит перенос теплоты; в теории теплообмена используются и другие, более частные физические законы (закон Фурье, закон Ньютона, законы Планка, Кирхгофа и другие).

9.2. Температурное поле. Градиент температуры

Температурным полем называется совокупность значений температуры в каждый момент времени во всех точках рассматриваемого пространства. Если температура постоянна во времени, то поле называется стационарным или установившимся. Если же температура во времени меняется, то поле называется нестационарным (неустановившимся).

Температура может быть функцией трёх, двух и одной координат. В соответствии с этим различают трёх-, двух-, и одномерные температурные поля.

Математически нестационарное трёхмерное температурное поле, в общем случае задаётся уравнением, связывающим значение температуры в каждой

10

точке тела со значением координат этой точки в данный момент времени и

Поверхности, представляющие собой геометрическое место точек с одинаковой температурой, называют изотермическими поверхностями, а линии пересечения изотермической поверхности с плоскостью – изотермами (рис.

9.1.).

В окрестности данной точки температура изменяется во всех направлениях, не совпадающих с касательной к изотерме. При этом наиболее резкое изменение температуры имеет место в направлении по нормали к изотермической поверхности.

Рис. 9.1. Температурное поле. Удельный тепловой поток, градиент температуры

1 Поскльку во всех таблицах, графиках и формулах, содержащих экспериментально измеренные величины и приведенных в справочниках, температура выражены по шкале Цельсия, то в этом разделе пособия температура также выражена в °С. Термодинамическая шкала (К) используется лишь там, где величины, входящие в формулы, зависят от абсолютной температуры (см. Тема 11. Тепловое излучение).