- •Міністерство освіти і науки україни національна металургійна академія україни
- •Б.Б. Потапов тепломассообмен Днепропетровск нМетАу 2009
- •Раздел 1. Введение в теорию теплообмена
- •1.1. Способы и механизмы переноса теплоты
- •Перенос теплоты теплопроводностью
- •1.1.2. Перенос теплоты конвекцией
- •1.1.3. Излучение
- •1.2. Основные понятия и определения
- •1.3. Основные законы переноса теплоты.
- •1.3.1. Теплопроводность
- •1.3.2. Конвективный теплообмен
- •1.3.3. Лучистый теплообмен
- •1.3.4. Теплопередача
- •Раздел 2. Теплопроводность
- •2.1. Общие положения теории теплопроводности
- •2.1.1. Теплопроводность веществ
- •2.1.2. Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье и условия однозначности
- •2.2. Теплопроводность и теплопередача при стационарном режиме
- •2.2.1. Теплопроводность и теплопередача через плоскую стенку
- •2.2.2. Влияние переменности на распределение температуры в пластине
- •2.2.3. Теплопроводность и теплопередача в цилиндрической стенке
- •2.2.4. Критический диаметр цилиндрической стенки
- •2.2.5. Теплопередача через стенки произвольной формы
- •2.2.6. Пути интенсификации теплопередачи
- •2.3. Теплопроводность при нестационарном режиме
- •2.3.1. Решение задач нестационарной теплопроводности методом разделения переменных
- •2.3.2. Исследование решения уравнения теплопроводности при условии
- •2.3.3. Исследование решения дифференциального уравнения теплопроводности при
- •2.3.4. Метод расчета нагрева(охлаждения) тел по графикам
- •2.3.5. Охлаждение тел конечных размеров.
- •Конечной длины
- •В уравнении множители правой части находятся по формулам или графикам, причем в качестве определяющих линейных размеров берется половина высоты цилиндра Rz и радиус цилиндра r0.
- •2.3.6. Численные методы решения задач теплопроводности
- •Решение дифференциального уравнений теплопроводности мкр для граничных условий II рода.
- •2.3.7. Приближенные методы решения задач теплопроводности
- •Метод тепловой диаграммы. В основу метода тепловой диаграммы положено уравнение теплового баланса для всего нагреваемого тела.
- •Раздел 3. Конвективный теплообмен
- •3.2. Элементы теории подобия
- •3.2.1. Числа гидродинамического подобия
- •3.3. Теплообмен при естественной конвекции
- •3.3.1. Аналитическое решение задачи теплообмена при свободном ламинарном движнии вдоль вертикальной пластины
- •3.3.2. Теплообмен при свободной конвекции в большом объеме
- •3.3.3.Теплообмен при свободном движении в ограниченном пространстве
- •3.4. Вынужденная конвекция при течении жидкости в трубах и каналах
- •3.4.1. Теплоотдача при ламинарном режиме течения
- •3.4.2. Теплоотдача при турбулентном режиме течения
- •3.4.3. Теплоотдача при переходном режиме движения жидкости
- •3.4.4. Теплоотдача при течении жидкости в изогнутых трубах
- •3.4.5. Теплообмен при продольном омывании труб
- •Теплообмен при поперечном обтекании труб
- •3.6. Теплообмен при поперечном обтекании пучков труб
- •3.7. Теплообмен при обтекании плоской поверхности
- •3.8. Теплообмен при кипении
- •3.8.2. Закономерности зарождения, роста, отрыва и движения паровых пузырей
- •3.8.3. Кривая кипения
- •3.8.4. Кипение жидкости в большом объеме
- •3.8.5. Кризисы кипения
- •3.8.6. Пузырьковое кипение при вынужденной конвекции
- •3.8.7. Теплообмен при плёночном режиме кипения
- •3.9. Теплообмен при конденсации пара
- •3.9.1. Характеристика процесса конденсации
- •3.9.2.Основные уравнения подобия и расчетные формулы
- •3.9.3. Влияние на теплоотдачу при конденсации различных факторов
- •4.Теплообмен излучением
- •4.1. Общие положения лучистого теплообмена
- •4.1.1. Описание процесса
- •4.1.2. Определение основных понятий
- •4.1.3. Поглощательная, отражательная и пропускательная способность тела
- •4.1.4 Эффективное и результирующее излучение
- •4.1.5. Основные законы теплового излучения
- •4.2. Угловые коэффициенты и методы их определения
- •4.3. Лучистый теплообмен между телами, разделенными прозрачной средой
- •4.3.1. Теплообмен обособленного тела с окружающей средой
- •4.3.2. Лучистый теплообмен между двумя поверхностями, образующих замкнутую систему
- •4.3.3. Теплообмен излучением при наличии экрана
- •4.3.4. Лучистый теплообмен между “n” поверхностями, образующими замкнутую систему
- •4.4. Теплообмен излучением в поглощающей газовой среде
- •4.4.1. Особенности поглощающих и излучающих сред
- •4.4.2. Лучистый теплообмен между газом и оболочкой
- •4.4.3. Теплообмен излучением между двумя поверхностями, разделенными поглощающим газом
- •4.5. Особенности теплообмена излучением в металлургических печах
- •4.6. Радиационно-конвективный теплообмен и теплопередача
- •Раздел 5. Теплообменные аппараты
- •5.1. Общие положения
- •5.2. Основы теплового расчета рекуперативных теплообменников
- •5.2.1. Уравнение теплового баланса рекуператора
- •5.2.2. Уравнение передачи теплоты в рекуперативном теплообменнике
- •5.2.3. Определение средней разности температур между греющим и нагреваемым теплоносителями
- •5.2.4. Конечные температуры теплоносителей
- •5.3. Основы теплового расчета регенераторов
1.1.3. Излучение
Для переноса теплоты излучением не требуется материя в виде вещества. По современным представлениям тепловое излучение в одних случаях проявляет себя как волновой процесс, в других как поток квантов или фотонов, летящих со скоростью света. Испускание фотонов, энергия которого равна разности энергий возбужденного и равновесного состояний, зависит от температуры. Энергия фотонов, испускаемая поверхностью тела, называется тепловым излучением.
1.2. Основные понятия и определения
Интенсивность переноса теплоты можно характеризовать тепловым потоком и его плотностью, а температурное состояние системы – температурным полем.
Обозначим количество теплоты, передаваемое через поверхность F, м2 за время через Q*, Дж.
Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность оценивается тепловым потоком , Вт.
Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через 1 м2 поверхности тела называют плотностью теплового потока или тепловой нагрузкой, Вт/м2:
. (1.1)
Тепловые потоки возникают в телах или между телами только при наличии разности температур.
под температурным полем понимают совокупность значений температур во всех точках изучаемого пространства. Под стационарным температурным полем понимают случай, когда температуры могут быть различны в различных точках тела, но неизменны во времени.
Температурное поле в зависимости от числа координат может быть трехмерным , двухмерным и одномерным .
Если соединить точки тела с одинаковыми температурами, то возникнут изотермические поверхности. Пересечение плоскостью изотермической поверхности даст на этой плоскости множество изотерм, изотермические линии не пересекаются.
Они располагаются либо внутри тела, либо заканчиваются на его поверхности. Изменение температур наблюдается только в направлениях пересекающих изотермические поверхности или линии, причем наиболее резкое изменение температуры наблюдается в направлении к нормали к изолинии.
Рис.
1.1. Распределение температур в теле
Предел изменения температуры t к расстоянию между изотермами n называют градиентом температуры:
. (1.2)
Градиент - векторная величина, направленная в сторону возрастания температур. Тепловой поток направлен противоположно градиенту температур.
1.3. Основные законы переноса теплоты.
1.3.1. Теплопроводность
Опытами установлено, что количество теплоты, передаваемое в плоской твердой стенке пропорционально разности температур поверхности горячей tc1 и холодной tc2 стенки, площади стенки F, времени и обратно пропорционально толщине стенки :
(1.3)
где -коэффициент пропорциональности называемый коэффициентом теплопроводности, Вт/(м·град.).
Физический смысл коэффициента теплопроводности легко понять из выражения:
(1.4)
Рис.
1.2. Теплопроводность в плоской однослойной
стенке
Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты проходит через один квадратный метр поверхности стенки толщиной один метр за одну секунду при разности температур на этих поверхностях в один градус.
Согласно определению, плотность теплового потока в пластине равна:
. (1.5)
В общем виде, закон теплопроводности Фурье имеет вид:
. (1.6)
Разрешив выражение для плотности теплового потока относительно разности температур, получим:
.
Отношение называют термическим сопротивлением теплопроводности.
Как показано выше, для каждого отдельного слоя многослойной стенки справедливо соотношение:
; ; .
Суммируя левые и правые части приведенной системы уравнений, получим:
или .
Рис.
1.3. Распределение температур в многослойной
стенке
Из полученного выражения следует, что термическое сопротивление трехслойной стенки равно сумме сопротивлений отдельных слоев. Тогда плотность теплового потока через стенку из n слоев определяется выражением:
. (1.7)