
- •Тепломассообмен м инск, бгпа 2001 о главление
- •3 Теплопроводность через плоскую стенку
- •3.5 Теплопроводность через плоскую стенку
- •7 Теплопроводность и теплопередача через
- •8 Теплопроводность при наличии внутренних
- •10 Приближённые методы решения задач
- •13 Подобие и моделирование процессов
- •Введение. Основные положения теории теплообмена
- •1. Теплопроводность при стационарном режиме
- •1.1 Температурное поле
- •1.2 Температурный градиент
- •1.3 Тепловой поток. Закон теплопроводности Фурье
- •1.4 Коэффициент теплопроводности
- •2 Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •2.1 Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •2.2 Условия однозначности
- •2.3 Связь между правой декартовой, прямоугольной,
- •3.1 Теплопроводность через однослойную
- •3.2 Теплопроводность через плоскую многослойную стенку
- •3.3 Теплопередача через плоскую однослойную стенку при граничных условиях III-рода
- •3.4 Теплопередача через многослойную плоскую стенку при граничных условиях III-рода
- •3.5 Теплопроводность через плоскую стенку при граничных условиях II, III-рода
- •Введём новую переменную
- •Решая уравнение (а) относительно и , получаем
- •4.2 Теплопередача через однослойную и многослойную цилиндрические стенки при граничных условиях III-рода
- •4.3 Критический диаметр изоляции
- •5.2 Теплопередача через одно- и многослойную шаровые стенки (гу III-рода)
- •6 Обобщённый метод решения задач стационарной теплопроводности
- •6.1 Обобщённый метод
- •6.2 Интенсификация процесса теплопередачи
- •Коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки
- •7 Теплопроводность и теплопередача через ребристую поверхность
- •7.1 Теплопроводность в ребре постоянного поперечного сечения
- •7.2 Теплоотдача через ребристую плоскую стенку
- •Для температуры в конце ребра:
- •Поправочный коэффициент определяется из графика:
- •8 Теплопроводность при наличии
- •8.1 Теплопроводность однородной пластины
- •Температура на оси симметрии пластины ( ):
- •8.2 Теплопроводность однородного цилиндрического стержня
- •Плотность теплового потока на поверхности цилиндра
- •8.3 Теплопроводность цилиндрической стенки
- •1. Теплота отводится только через наружную поверхность трубы.
- •9 Нестационарная теплопроводность
- •9.1 Общее решение уравнения одномерной теплопроводности
- •9.2 Охлаждение и нагревание неограниченной пластины
- •Для решения этого уравнения необходимо иметь краевые условия. Начальные условия.
- •В соответствии с (9.2) общее решение (9.4) будет иметь вид: . (9.5)
- •Решение (9.9) можно представить в обобщённых переменных:
- •9.3 Частные случаи охлаждения (нагрева) неограниченной пластины
- •9.4 Зависимость процесса охлаждения (нагрева) от формы и размера тела
- •Т.Е. Можно представить:
- •9.5 Регулярный режим нагревания (охлаждения) тел
- •10 ПриближЁнные методы решения задач теплопроводности. Методы аналогии
- •Метод аналогии:
- •11 Конвективный теплообмен
- •11.1 Основные положения
- •Кинематический коэффициент вязкости
- •11.2 Уравнение сплошности (или неразрывности) потока
- •11.3 Уравнение движения (уравнение Навье-Стокса)
- •11.4 Дифференциальное уравнение энергии
- •11.5 Условия однозначности (краевые условия). Уравнение теплообмена
- •12 Теория пограничного слоя
- •12.1 Основные положения. Ламинарный пограничный слой
- •12.2 Турбулентный перенос теплоты и количества движения в пограничном слое
- •12.3 Коэффициенты сопротивления и трения при движении жидкости в трубах
- •13 Подобие и моделирование процессов конвективного теплообмена
- •13.1 Основы теории подобия
- •13.2 Гидромеханическое подобие
- •13.3 Тепловое подобие
- •13.4 Метод размерностей
- •Избыточная температура
- •13.5 Определение коэффициента теплоотдачи и температурного напора
- •13.6 Получение эмпирических формул или критериальных зависимостей
- •14 Гидродинамика и теплообмен при вынужденном движении жидкости в трубах
- •То режим течения будет переходным.
- •14.1 Теплообмен при ламинарном режиме течения
- •Вязкостный режим
- •Вязкостно-гравитационный режим.
- •Переходный режим.
- •14.3 Теплообмен в каналах произвольной формы
- •Теплоотдача в изогнутых трубах (спиральных теплообменниках)
- •15 Теплоотдача при поперечном обтекании труб
- •15.1 Гидродинамика и теплообмен при поперечном
- •Омывании одиночной круглой трубы
- •15.2 Теплоотдача при поперечном омывании пучков труб
- •16 Теплоотдача при свободном движении жидкости
- •16.1 Теплоотдача при свободной конвекции в неограниченном пространстве
- •16.2 Теплоотдача при свободной конвекции в ограниченном пространстве
- •Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи для различных видов теплообменов
- •Средние значения коэффициентов теплоотдачи
- •Ориентировочные значения коэффициентов
- •Теплоотдача жидких металлов
- •1. Теплообмен при конденсации чистого пара
- •1.1 Основные положения
- •1.2 Термическое сопротивление при конденсации
- •1.3 Теплообмен при конденсации чистого пара при вертикальной поверхности и при ламинарном режиме течения плёнки конденсата.
- •1.4 Теплообмен при плёночной конденсации неподвижного чистого пара на вертикальной поверхности и при ламинарном режиме течения плёнки конденсата
- •Среднее значение коэффициента теплоотдачи определяется как .
- •2. Теплообмен при кипении однокомпонентной жидкости
- •2.1 Механизм процесса кипения
- •2.2 … Теплообмена при пузырьковом кипении в большом объёме
- •3. Конвективный теплообмен
- •3.1 Основные положения кмо. Закон Фика
- •4. Теплообмен излучения
- •4.1 Основные положения
Введём новую переменную
,
тогда дифференциальное уравнение (4.1) будет иметь вид:
.
Интегрируем данное выражение:
.
Тогда, потенциируя это выражение и переходя к первоначальным переменным мы получаем:
.
После интегрирования получаем:
. (4.2)
Для
определения постоянных интегрирования
и
воспользуемся граничными условиями:
(а)
Решая уравнение (а) относительно и , получаем
, (б)
, (с)
Подставляя в (4.2) значения и , получаем окончательное решение дифференциального уравнения
. (4.3)
Это решение описывает распределение температуры в цилиндрической стенке. Это логарифмическая кривая (рис. 4.1). Задавая произвольным диаметр, можно определить температуру в любой точке цилиндрической поверхности.
Согласно закону Фурье плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры (температура меняется только вдоль радиуса):
;
,
Вт. (4.4)
Из
этого выражения следует, что тепловой
поток полностью определяется внутренним
и наружным диаметрами цилиндра (
и
).
Тепловой поток может быть отнесён к единице длины цилиндра
,
. (4.5)
(линейная
плотность теплового потока) – это
количество теплоты, проходящее через
цилиндрическую поверхность путём
теплопроводности через единицу длины
Тепловой
поток может быть отнесён к внутренней
поверхности цилиндра
,
. (4.6)
Тепловой
поток, отнесённый к наружной поверхности
цилиндра
,
. (4.7)
Связь между различными приведёнными плотностями теплового потока следующая
, (4.8)
,
т.к.
.
Следовательно, в отличие от плоской стенки плотность теплового потока непостоянна по толщине цилиндрической стенки и определяется текущим диаметром цилиндра (чем больше текущий диаметр, тем меньше плотность теплового потока).
Если
коэффициент теплопроводности не является
величиной постоянной, а зависит от
температуры по зависимости
,
то температурное поле, т.е. линии изменения
температуры в цилиндрической стенке,
на любом диаметре может быть определено
из следующего выражения
.
(4.9)
Подставляемые
в выражение (4.9) значения
и
берутся из справочников.
4.2 Теплопередача через однослойную и многослойную цилиндрические стенки при граничных условиях III-рода
Для
полого многослойного цилиндра заданы:
температуры горячей и холодной жидкостей
(
и
),
внутренний и внешний диаметры (
и
),
коэффициент теплопроводности (
),
коэффициенты теплоотдачи (
и
).
Требуется найти: тепловой поток (Q) и линейную плотность теплового потока ( ) при передаче теплоты через однослойную и многослойную стенки.
Аналогично как для плоской стенки линейная плотность теплового потока будет отдаваться от горячей среды к внутренней поверхности цилиндра путём теплоотдачи. Эта же линейная плотность теплового потока будет проходить через цилиндрическую поверхность путём теплопроводности, и эта же линейная плотность теплового потока будет отдаваться от наружной поверхности цилиндра к холодной жидкости путём теплоотдачи (закон сохранения энергии). Запишем это математически:
(4.10)
Выразим из (4.10) разности температур и, сложив почленно эти три уравнения, получим:
,
,
. (4.11)
Чтобы найти тепловой поток через цилиндрическую поверхность необходимо
,
,
,
. (4.12)
(линейный коэффициент теплопередачи)
– это
количество теплоты, передаваемое в
единицу времени через единицу длины
цилиндрической поверхности от одной
среды к другой при разности температур
между средами в 1 градус.
Величина обратная называется линейным термическим сопротивлением теплопередачи.
,
. (4.12)
Плотность теплового потока, отнесённая к внутренней поверхности цилиндра, обозначим через
,
где
– коэффициент
теплопередачи через цилиндрическую
стенку, отнесённый к внутренней
поверхности цилиндра.
,
.
Плотность теплового потока, отнесённая к внешней поверхности цилиндра, обозначим через
,
где
– коэффициент
теплопередачи через цилиндрическую
стенку, отнесённый к внешней поверхности
цилиндра.
.
Связь между коэффициентами теплопередачи следующая:
. (4.13)
Отсюда
видно, что
всегда, т.к.
.
На практике, если отношение наружного диаметра цилиндра к внутреннему не более 1.8, то можно пользоваться формулой расчёта коэффициента теплопередачи через плоскую стенку
Тепловой поток для цилиндрической стенки рассчитывается:
,
Вт.
В этом случае ошибка не превысит 4%. Если отношения диаметров больше 1.8, то следует использовать формулы для цилиндрической стенки.
Изоляцию трубопроводов рассчитывают как плоскую стенку. Ошибку можно уменьшить, если в качестве рассчётной брать поверхность со стороны меньшего .
1. Если
,
то
;
2. если
,
то
;
3. если
,
то
.
Для многослойной цилиндрической стенки формула линейной плотности теплового потока имеет вид.
,
.
где n – число слоёв.
Температура на границе раздела слоёв:
.