Тема 1.4 Теплопередача

План

1 Складний теплообмін як сукупна одночасна дія теплопровідності, конвекції і

випромінювання.

1 Розподіл теплоперенесення на теплопровідність, конвекцію і теплове випромінюван-ня зручне для вивчення цих процесів. На практиці дуже часто зустрічається складний теплообмін, під час якого теплота переноситься двома або навіть трьома способами одночасно.

Найпоширенішим випадком складного теплообміну є тепловіддача від поверхні твердої стінки до газоподібного середовища, наприклад повітря (або від газу до по-верхні). При цьому теплота переноситься конвекцією завдяки контакту поверхні з га-зом, який її обмиває, і та сама поверхня випромінює і поглинає енергію, обмінюючися потоками випромінювання з газом і навколишніми предметами. Подібні процеси пере-несення теплоти називають складною тепловіддачею. Її типовими прикладами є втра-ти теплоти стінками апаратів в навколишнє середовище і внутрішнім повітрям примі-щення до внутрішньої поверхні зовнішньої стінки в холодний період року.

Кількість теплоти , яку віддає навколишньому середовищу стінка тепловим випромінюванням (або стінці навколишнє середовище), визначають по формулі

, (1.17)

де виражається рівнянням:

, (1.18)

Величина - це коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням, що показує, яку кількість теплоти, , віддає навколишньому середовищу стінка поверхнею теп-ловим випромінюванням за 1с за різниці температур між стінкою і середовищем ( ).

Сумарна віддача стінкою теплоти конвекцією і тепловим випромінюванням становить:

(1.19)

Позначивши сумарний коефіцієнт тепловіддачі конвекцією і випромінюван-ням

, (1.20)

отримують

(1.21)

Інтенсивність складного теплообміну характеризують сумарним коефіцієнтом тепловіддачі через те, що переважаючим буває конвекційне теплоперенесення.

Іноді впливом однієї зі складових сумарного коефіцієнта тепловіддачі можна знехтувати. Наприклад, зі збільшенням температури різко зростає тепловий потік ви-промінюванням, тому в топках парових котлів і печей, де швидкості течії газів невели-кі, а , можна вважати, що , і навпаки, під час теплообміну поверхні з потоком краплинної рідини переважаючим буде конвекційний теплообмін, тобто .

Лекція 5

Розділ 2 технічна термодинаміка

Тема 2.1 Термодинаміка та її метод. Основні параметри стану робочого тіла

План

1 Технічна термодинаміка (ТТД), предмет і метод.

2 Поняття «робоче тіло».

3 Основні параметри стану робочого тіла.

1 Процеси обміну енергією мають місце в будь–яких явищах навколишнього світу. То-му термодинаміка як наука про взаємне перетворення теплоти і роботи дає методи вив-чення енергетичних явищ.

Термодинаміка складається з 2 грецьких слів:„терме” - теплота і „динаміс” – ро-бота.

Термодинаміка умовно поділяється на хімічну і технічну. Хімічна ТД вивчає процеси, в котрих обмін енергією супроводжується зміною хімічного складу тіл.

Технічна термодинаміка (ТТД) – наука про властивості теплоти і закони взаєм-ного перетворення теплоти і механічної роботи.

ТД вивчає закономірності процесів перетворення енергії в різних фізичних і хі-мічних процесах, це і є предметом ТТД . Дана дисципліна є основою вивчення і вдос-коналення всіх теплових двигунів, компресорних, сушильних, холодильних установок тощо. Оскільки головним елементом з точки зору перетворення енергії в цих машинах є робоче тіло (наприклад, пара в паровій турбіні), то становлять інтерес і властивості робочих тіл.

Основою ТД як науки є 2 закони, отримані дослідним шляхом - перший і другий закони ТД. Перший закон ТД встановлює кількісну міру при переході одного виду енергії в інший і є приватним випадком загального закону фізики збереження і пере-творення енергії. Другий закон ТД має більш обмежений характер і відноситься до тіл, які мають кінцеві розміри, але складаються з великої кількості атомів і молекул. Закон встановлює напрямок теплових процесів, які протікають в природі, та умови пе-ретворення теплоти в роботу.

Використовуючи основні закони, ТТД досліджує процеси, які протікають в теп-лових двигунах, і встановлює найбільш економічні умови їх роботи.

2 В теплових машинах застосовується робоче тіло - частіше за все газ, який при взає-модії з зовнішнім середовищем змінює свій стан. Фізичні макроскопічні величини, які характеризують стан робочого тіла, називаються термодинамічними параметрами стану (або просто параметрами стану). Основними параметрами стану є: абсолют-ний тиск , питомий об’єм v, абсолютна температура Т. Ці параметри визнача-ють стан газу в стані рівноваги, тобто коли в будь–який момент часу , v і Т по всій масі газу будуть мати одні й ті ж значення.

3 Тиск газу є середнім результатом ударів великої кількості часток (молекул або ато-мів) об стінки посудини, де знаходиться робоче тіло. Тиск вимірюється силою, що приходиться на одиницю поверхні тіла і направлена до неї перпендикулярно. Познача-ється Р, в системі СІ виміряється паскалем (Па) - силою в один ньютон на площі в один квадратний метр, тобто .

Ця одиниця тиску дуже мала, і тому на практиці застосовуються інші одиниці:

(кілопаскаль); (мегапаскаль).

В техніці також застосовуються позасистемні одиниці вимірювання:

1) мм рт. ст. (мм ртутного стовпчика). ;

2) мм вод. ст. (мм водяного стовпчика) ;

3) бар. ;

4) технічна атмосфера (ат), яка є дією кілограм – сили (кгс) на площу в

Па;

5) фізична атмосфера (атм), яка дорівнює середньому тиску атмосферного повітря на рівні моря. Ця величина складає

.

Фізична атмосфера приймається як деякий стандартний тиск і називається нор-мальним тиском. В системі СІ нормальний тиск дорівнює:

Тиск атмосферного повітря виміряється барометром і називається барометрич-ним або атмосферним . Величина тиску газу, яка перевищує атмосферний і вимі-рюється манометром, називається манометричним або надлишковим . Величина тиску газу, яка менше атмосферного і вимірюється вакуумметром, називається вакууметричним або розрідженням .

Надлишковий і вакууметричний тиски не є параметрами стану, бо при одному і тому ж тиску газу в посудині (абсолютному) показання манометру і вакууметру бу-дуть різними в залежності від атмосферного тиску повітря в момент вимірювання.

Параметром стану є абсолютний тиск газу , який може бути знайдений по одній з двох формул. Розглянемо прилад, який складається з посудини А, наповненої газом із абсолютним тиском , і U – подібної трубки, частково заповненої рідиною (рисунок 2.1). З лівого боку на рідину діє абсолютний тиск газу, з правого – атмосфер-ний тиск повітря. Якщо , то рідина буде переміщатися в трубці зліва направо до тих пір, поки стовпчик рідини, який утворився, висотою врівноважить різниця тисків В цьому випадку прилад показує, наскільки тиск газу в посудині А більше атмосферного, тобто надлишковий тиск. Тому

- абсолютний тиск газу в посудині дорівнює сумі показань (2.1)

барометру і манометру.

Якщо , тоді рідина в правому коліні трубки опуститься, а в лівому підні-меться і займе положення, показане на рисунку 2.2. В цьому випадку прилад показує, наскільки тиск газу в посудині А менше атмосферного, і висота стовпчика визначає вакууметричний тиск . Значить,

- абсолютний тиск газу в посудині дорівнює різниці показань (2.2)

барометру і вакуумметру.

Показання ртутних приладів тиску змінюються в залежності від температури ртуті внаслідок її розширення із підвищенням температури. Тому показання баромет-ру (манометру, вакуумметру), визначені висотою ртутного стовпчика, приводяться до , для чого використовується рівняння

Рисунок 2.1 – Вимірювання надлишкового Рисунок 2.2 – Вимірювання розрідження

тиску рідинним манометром (вакууму) рідинним

( ) вакууметром ( )

, (2.3)

де - показання барометру, приведене до , мм рт. ст; - дійсна висота

ртутного стовпчика барометру при температурі , мм рт. ст;

0,000172 – коефіцієнт об’ємного розширення ртуті.

Температура є мірою теплового стану чи ступеня нагрітості тіла, наприклад га-зу. З фізики відомо, що температура газу змінюється пропорційно середній кінетичній енергії поступального руху молекул. Чим вища температура, тим більша швидкість ру-ху молекул.

Температура тіла збільшується або зменшується в залежності від того, одержує чи віддає це тіло теплоту. Тіла, які мають однакову температуру, знаходяться в тепло-вій рівновазі, тобто не передають теплоту одне іншому.

При нагріванні тіла розширюються, тобто збільшуються в об’ємі. Цю обставину враховують при конструюванні котлів і будові обмурівки, а при проектуванні трубо-проводів різного призначення, які можуть опинитися під дією температурних подов-жень, передбачають установку спеціальних компенсаторів.

Одиницею вимірювання температури є градус. В техніці температура вимірюєть-ся по Міжнародній стоградусній шкалі (шкалі Цельсію) і позначається , . В цій шкалі при нормальному тиску (760 мм рт. ст.) стану льоду, котрий розтає, відповідає температура , а точці кипіння чистої води – 100 .

Для вимірювання температури використовується також термодинамічна шкала температур (шкала абсолютних температур, або шкала Кельвіна). Нуль абсолютної шкали температур відповідає значенню . Градус абсолютної шкали темпе-ратур носить назву кельвіна і позначається через . Між двома температурами існу-ють наступні співвідношення

, К (2.4)

, (2.5)

Параметром стану є абсолютний температура . Температура вимірюється тер-мометрами, термопарами, пірометрами та іншими приладами.

Питомим об’ємом називається об’єм 1 кг газу, він позначається v, тобто

, (2.6)

де - повний об’єм газу, ; - маса газу, .

Щільністю називається маса газу, яка міститься в одиниці об’єму, тобто

, (2.7)

З формул (27) і (28) виходить, що питомий об’єм і щільність газу – величини взаємозворотні і їх добуток дорівнює одиниці:

(2.8)

або (2.9,2.10)

Слід пам’ятати наступні співвідношення: і .

Лекція 6