10 Приближённые методы решения задач

теплопроводности. Методы аналогии . . . . . . . . . . . . . . . 83

11 Конвективный теплообмен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

11.1 Основные положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

11.2 Уравнение сплошности (или неразрывности) потока . . . . . . . 91

11.3 Уравнение движения (уравнение Навье-Стокса) . . . . . . . . . . 93

11.4 Дифференциальное уравнение энергии . . . . . . . . . . . . . . . 98

11.5 Условия однозначности (краевые условия)

Уравнение теплообмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

12 Теория пограничного слоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

12.1 Основные положения. Ламинарный пограничный слой . . . . . 103

12.2 Турбулентный перенос теплоты и

количества движения в пограничном слое . . . . . . . . . . . . . 109

12.3 Коэффициент сопротивления при движении в трубах . . . . . . 114

13 Подобие и моделирование процессов

конвективного теплообмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

13.1 Основы теории подобия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

13.2 Гидромеханическое подобие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

13.3 Тепловое подобие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

13.4 Метод размерностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

13.5 Определение коэффициента теплоотдачи

и температурного напора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

13.6 Получение эмпирических формул или

критериальных зависимостей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

14 Гидродинамика и теплообмен при вынужденном движении жидкости в трубах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

14.3 Теплообмен в каналах произвольной формы . . . . . . . . . . . 141

15 Теплоотдача при поперечном обтекании труб . . . . . . . . 145

15.1 Гидродинамика и теплообмен при поперечном

омывании одиночной круглой трубы . . . . . . . . . . . . . . . . 145

15.2 Теплоотдача при поперечном омывании пучков труб . . . . . . 148

16 Теплоотдача при свободном движении жидкости . . . . . . . 152

16.1 Теплоотдача при свободной конвекции

в неограниченном пространстве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

16.2 Теплоотдача при свободной конвекции

в ограниченном пространстве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи для различных видов теплообменов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

Средние значения коэффициентов теплоотдачи

для различных случаев теплообмена . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи . . 156

Теплоотдача жидких металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

Введение. Основные положения теории теплообмена

Теория ТМО рассматривает процессы переноса теплоты и массы в твёрдых, жидких и газообразных телах.

Процессы переноса теплоты – это обмен внутренней энергией между телами в форме теплоты.

Теплота (как и работа) – форма передачи энергии.

Теория массообмена – это наука о переносе массы за счёт разности концентраций. Теория ТМО молодая наука (100 лет). Сегодня теория ТМО наряду с технической термодинамикой составляют основы теплоэнергетики. Изучение теплообмена в России с 20-хх годов возглавил Кирпичёв, разработавший теорию физического моделирования процессов теплообмена. Большую роль внесли Михеев, Гухман, Кружилин, Лыков и другие.

Теплообмен – самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем. Различают три элементарных вида теплообмена: теплопроводность; конвекция и лучеиспускание (тепловое излучение).

Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в сплошной среде из-за наличия градиента температуры. В чистом виде есть только твёрдых телах. В диэлектриках и жидкостях теплопроводность осуществляется за счёт упругих волн молекул; в металлах и сплавах – за счёт перемещения свободных электронов и колебания атомов; в газах – за счёт диффузии атомов и молекул.

Конвективный теплообмен – перенос теплоты, обусловленный перемещением макроскопических элементов среды в пространстве, сопровождаемый теплопроводностью. Бывает только в движущихся средах.

Теплоотдача – конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью.

Тепловое излучение (лучистый теплообмен) – теплообмен, обусловленный превращением внутренней энергии одного тела в энергию электромагнитных волн, распространением её в пространстве и поглощением энергии этих волн другим телом. Теплообмен излучением осуществляется в три этапа: первый – превращение внутренней энергии в излучение; второй – перенос; третий – поглощение. Перенос теплоты путём теплопроводности и конвекции возможны только при наличии вещественной среды. Лучистый теплообмен может осуществляться и в вакууме.

Теплопередача – перенос теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку или перегородку.

Совместный перенос теплоты за счёт теплопроводности, конвекции и лучеиспускания называется сложным теплообменом.

В реальных условиях все три вида теплообмена, как правило, протекают одновременно. Учитывать лучистый теплообмен надо тогда, когда температура поверхности тела более 400С. В общем случае процессы теплообмена могут сопровождаться фазовыми переходами, химическими реакциями и уносом массы. Эти процессы усложняют теплообмен.

Массообмен – самопроизвольный необратимый процесс переноса массы данного компонента в пространстве с неоднородным полем концентрации.