Учебное пособие для студентов профессионального направления 0905 \"Энергетика\" icon

Учебное пособие для студентов профессионального направления 0905 "Энергетика"




НазваУчебное пособие для студентов профессионального направления 0905 "Энергетика"
Сторінка1/7
т.н. доцент
Дата10.07.2012
Розмір0.76 Mb.
ТипУчебное пособие
  1   2   3   4   5   6   7



ТЕПЛОМАССООБМЕН


Учебное пособие

для студентов профессионального направления 6.0905 – "Энергетика"

профилизации «Электротехнические системы электропотребления»

заочной формы обучения


Сумы

СумГУ 2006


Составитель к.т.н. доцент Марченко В.Н.


Пособие подготовлено в соответствии с программой курса «Тепломассообмен» для студентов заочной формы обучения по направлению 6.0905 – "Энергетика" по профилизации «Электротехнические системы электропотребления».

Пособие включает теоретический материал, примеры решения задач по всем разделам дисциплины, варианты расчетных заданий и необходимый справочный материал для их выполнения.


Содержание


Содержание…………………………………………………………………..............................3

Методические указания по выполнению расчетной работы………………………………...4

Контрольные вопросы………………………………………………………………………….4

І. Основы тепломассообмена.....................................................................................................5

1 Теплопроводность.................................................................................................................5

2 Конвективный теплообмен.................................................................................................11

3 Теплоотдача в жидкостях и газах......................................................................................14

4 Теплоотдача при фазовых переходах................................................................................16

5 Тепловое излучение............................................................................................................21

6 Теплообменные аппараты..................................................................................................25

Пример выполнения расчетной работы..................................................................................29

Варианты заданий к выполнению расчетной работы............................................................31

Приложение……………………………………………………………………………………

Список рекомендованной литературы....................................................................................


3

^ Методические указания по выполнению расчетной работы

Согласно учебному плану студент-заочник выполняет одну расчетную работу, которая состоит из трех заданий. Пример выполнения расчетной работы приведен в приложении. Список задач имеющих разный уровень сложности приводится в конце пособия. Перед выполнением задания необходимо изучить теоретический материал по рекомендованной литературе, руководствуясь контрольными вопросами.

Условия задания переписываются полностью, а решение сопровождается подробными пояснениями, исходя из основных законов и положений дисциплины, а также ссылками на литературные источники.

Работа должна завершаться графиком процессов в указанных координатах, который выполняется в примерном масштабе с соответствующими пояснениями.

Оформленная расчетная работа сдается на кафедру технической теплофизики (корпус ЛБ-203, телефон 33-57-85) для рецензирования. Иногородние студенты пересылают работу по адресу университета. После исправления ошибок и замечаний, указанных рецензентом, студент должен защитить работу во время консультаций и индивидуальных занятий по графику учебного расписания. При отсутствии защищенной расчетной работы студент не допускается к экзамену.


^ Контрольные вопросы

1 Тепломассообмен. Основные механизмы и законы переноса теплоты и вещества.

2 Теплопроводность. Температурное поле и закон Фурье.

3 Краевая задача теплопроводности. Нагрев и охлаждение твердого тела.

4 Стационарная теплопроводность через плоскую стенку. Температурное поле и термическое сопротивление. Многослойная стенка.

5 Теплопередача через плоскую стенку. Условие стационарности и термическое сопротивление.

6 Влияние кривизны стенки на стационарное температурное поле. Теплопередача через цилиндрический и шаровой слой

7 Тепловая изоляция поверхностей. Выбор материала изоляции для тонких трубопроводов.

8 Методы интенсификации теплопередачи. Принцип оребрения поверхностей и расчет теплопередачи.

9 Конвективный теплообмен: физические представления и математическое описание. Теплоотдача. Дифференциальное уравнение теплоотдачи.

10 Представление о теории подобия. Моделирование конвективного теплообмена и критериальные уравнения теплоотдачи.

11 Теплоотдача при вынужденном течении жидкости. Инженерный расчет теплоотдачи.

12 Теплоотдача при свободной конвекции в большом объеме и в ограниченных зазорах.

13 Особенности теплоотдачи при кипении и конденсации.

14 Основные закономерности тепломассообмена. Метод аналогии процессов переноса.

15 Основные законы теплового излучения. Модель серого тела.

16 Теплообмен излучением через газовый слой. Тепловая защита с помощью экранов.

17 Комбинированный (сложный) теплообмен. Радиационно-конвективная теплоотдача.

18 Теплообменные аппараты. Классификация и проектный расчет рекуператоров.


4

^ Исходные положения

Обмен внутренней энергией между телами (или частями одного тела), имеющими различную температуру, называется теплообменом.

Теплообмен – это самопроизвольный, необратимый процесс передачи тепла (точнее, передачи энергии в форме тепла) в пространстве, обусловленный наличием разности температур . Согласно второму закону термодинамики, теплота самопроизвольно переходит от области высокой температуры к области, имеющий более низкую температуру.

Различают три способа теплообмена: теплопроводность (или кондукция), перенос тепла конвекцией (конвекция) и тепловое излучение (радиационный теплообмен). В реальных условиях эти способы в чистом виде встречаются редко, они обычно сопутствуют друг другу (сложный или комбинированный теплообмен).

Теплопроводность – это молекулярный (микроскопический) перенос тепла в неоднородном температурном поле тела. В газах теплопроводность осуществляется путем диффузии молекул, а жидкостях и твердых телах – диэлектриках – путем упругих волн. В металлах теплопроводность обусловлена движением свободных электронов. В чистом виде теплопроводность проявляется в твердых телах или неподвижных слоях газа или жидкости.

Конвекция возможна только в подвижной среде. Перенос тепла конвекцией – это макроскопическое перемещение объемов жидкости или газа в пространстве с различными температурами.

Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью на уровне «контакта» микрочастиц среды. Такой двойной механизм переноса тепла в подвижной сплошной среде за счет конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом. Для практики наиболее важен частный случай конвективного теплообмена – теплоотдача: обмен теплом между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела.

Тепловое излучение – процесс распространения теплоты электромагнитными волнами. Процесс превращения внутренней энергии тела в энергию излучения, перенос излучения (как правило, через газообразную среду) и ее поглощение другим телом называется тепловым излучением (тепловой радиацией).

Типичным для практики является теплообмен между двумя средами (теплоносителями) через разделяющую их твердую стенку, который называют теплопередачей.

Многие процессы теплообмена сопровождаются переносом вещества (массы), например, процессы фазовых или химических превращений, процессы смешивания и другие. Совместно протекающие процессы переноса тепла и вещества в пространстве называют тепломассообменом.


1 Теплопроводность

Температурное поле и закон Фурье. Теплопроводность определяется тепловым (хаотическим) движением микрочастиц тела. В теории теплопроводности вещество рассматривается как сплошная среда, перенос теплоты в которой (при отсутствии конвекции и излучения) обусловлен наличием разности температур.

Совокупность значений температур всех макроскопических точек тела в данный момент времени называется температурным полем.

, (1)

где - координаты любой точки тела.

Если температура тела не изменяется с течением времени, то температурное поле стационарное, т.е.

(2)

Мысленно соединяя все точки тела с одинаковой температурой, получим поверхность, называемая изотермической. Изотермические поверхности не пересекаются и при пересечении их плоскостью дают на ней семейство изотерм (рис.1).

5



Рис. 1 – Семейство изотерм в плоском сечении тела


Интенсивность изменения температуры в произвольном направлении s через элементарную площадку dF характеризуются производной (), принимающей наибольшее значение в направлении нормали к изотермической поверхности:

. (3)

Температурный градиент () направлен в сторону возрастания температуры по нормали п. Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через элемент изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока . С учетом направления потока тепла, согласно закону Фурье, Вт/м2

(4)

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через изотермическую поверхность F, называется тепловым потоком, Вт

. (5)

Множитель , называемый коэффициентом теплопроводности (), является теплофизическим свойством вещества. Теплопроводность газов () растет с повышением температуры и давления, а жидкости () – обычно уменьшается с ростом температуры. Наилучшими проводниками тепла являются металлы (); теплопроводность металлов убывает с ростом температуры и повышением количества легирующих элементов.

Твердые материалы, у которых , относят к теплоизоляторам. Большинство теплоизоляционных и строительных материалов имеют пористое строение, что объясняет их низкую теплопроводность.

Описание теплопроводности. Решение задач теплопроводности связано с определением поля температур (2) и тепловых потоков (5). Для этого, используя первый закон термодинамики и зависимость (4) получают дифференциальное уравнение теплопроводности:

(6)

При выводе (6) предполагалось, что тело однородно и изоэнтропно, физические параметры (теплопроводность , теплоемкость с и плотность ) постоянны, внутренние источники теплоты мощностью , Вт/м3 равномерно распределены в теле. Величину называют коэффициентом температуропроводности материала тела (м2/с).

6

Для однозначного решения уравнения (6) и определения постоянных интегрирования его необходимо дополнить условиями однозначности (краевыми условиями) определяющими параметрами конкретной задачи. Выделяют следующие краевые условия: геометрические – характеризующие форму и размеры тела; теплофизические – характеризующие свойства тела (); временные – характеризующие распределения температуры тела в начальный момент времени, например, при =0; граничные – характеризующие взаимодействие тела с окружающей средой.

Граничные условия бывают четырех видов (родов): 1 рода (задается распределением температуры на поверхности тела в функции времени); 2 рода (задается плотность теплового потока для поверхности тела в функции времени); 3 рода (задается температура окружающей среды (жидкости или газа) и уравнение теплоотдачи (см. (17)) между поверхностью тела и средой); 4 рода (условия совместимости, задаваемые в виде равенства температур и тепловых потоков соприкасающихся тел).

Теплопроводность через плоскую стенку при граничных условиях 1 рода. Рассмотрим однородную плоскую стенку толщиной на наружных поверхностях которой поддерживается постоянные температуры и (рис. 2). Коэффициент теплопроводности материала стенки (в расчетах обычно принимается среднее значение ?). При стационарном режиме () и отсутствии внутренних источников тепла () дифференциальное уравнение запишется в виде

(7)

т.к. при заданных условиях температура меняется только в направлении, перпендикулярном плоскости стенки ().

Граничные условия имеют следующий вид

(8)

Из решения (7), (8) следует линейное распределение температуры по толщине плоской стенки

(9)

При этом плотность теплового потока

(10)

где - термическое сопротивление теплопроводности через плоскую стенку ().

Очевидно, что при стационарном теплообмене, Вт

(11)

Если стенка состоит из п однородных слоев с коэффициентами теплопроводности и толщинами , то при стационарном режиме тепловой поток через любой слой одинаков, т.е.

. (12)

Для плоской стенки будет одинакова и плотность потока , т.к. .

На основании (11) и (12) получим

(13)

7

где - температурный напор (разность температур) для рассматриваемых слоев;

- термическое сопротивление теплопроводности i – го слоя.

При расчете температурного поля формулу (13) можно использовать либо для всех слоев, либо для определенной группы рассматриваемых слоев.



Рис. 2 – Теплопроводность через однородную плоскую стенку


Пример 1. Определить плотность теплового потока , проходящего через трехслойную плоскую стенку, если толщины слоев а соответствующее значение коэффициентов теплопроводности Температуры на поверхностях стенки: Найти температуры стенок на границах соприкосновения слоев

Решение. Термические сопротивления слоев



Суммарное сопротивление стенки



Плотность теплового потока



Температуры на границе слоев




Теплопроводность через цилиндрическую стенку при граничных условиях первого рода. В отличии от стационарной теплопроводности через плоскую стенку, когда площадь поверхности теплообмена постоянна (F = const), в данном случае площадь теплообмена увеличивается при переходе от внутренней поверхности () к наружной (). Из решения краевой задачи следует ,что распределение температуры по толщине цилиндрической стенки логарифмическое, т.е.

, (14)

8

где - текущая координата цилиндрической стенки. При использовании граничных условий () определяем постоянную интегрирования С и получаем формулу для расчета потока через цилиндрическую стенку, Вт:

(15)

где - линейное термическое сопротивление цилиндрического слоя, .

Для многослойной цилиндрической стенки, с учетом условия стационарности (13), получим

(16)

При использовании достаточно тонких цилиндрических труб (когда отношение наружного диаметра к внутреннему меньше двух: профиль температуры (14) незначительно отличается от линейного и поэтому, с погрешностью менее 3% расчет можно проводить через условную плоскую стенку толщиной с площадью теплообмена

Теплопроводность через стенку с граничными условиями третьего рода (теплопередача). Теплообмен от одной подвижной среды (жидкости или газа) к другой через разделяющую их твердую стенку любой формы называют теплопередачей. Примером теплопередачи служит перенос тепла от горячих продуктов сгорания (топочных газов) к воде через стенки труб парогенератора, включающий конвективную теплоотдачу от газов к внешней стенке, теплопроводность в стенке и конвективную теплоотдачу от внутренней поверхности стенке к воде. Особенности протекания процесса на границах стенки при теплопередаче характеризуются граничными условиями 3 рода, которые задаются температурами жидкости (газа) с обеих сторон стенки, а также соответствующими значениями коэффициентов теплоотдачи в уравнении Ньютона – Рихмана, Вт:

(17)

Рассмотрим стационарную теплопередачу через плоскую стенку толщиной . Заданы коэффициент теплопроводности стенки, температуры сред, омывающих стенку, и (), коэффициенты теплоотдачи и . Необходимо найти тепловой поток (для плоской стенки F= сonst) и температуры на поверхности стенки . Для трех слоев теплообмена имеем:

(18)



C учетом условия стационарного теплообмена (12), получим



, (19)

где к – коэффициент теплопередачи (); - суммарное термическое сопротивление теплопередачи:


9

Неизвестные температуры tc1 и tc2 определяют по формулам (18) после определения плотности потока тепла . Для многослойной плоской стенки термическое сопротивление теплопроводности находится как

Для цилиндрической стенки после аналогичных преобразований получим уравнение теплопередачи в виде



(20)

где - линейный коэффициент теплопередачи, .

Пример 2. Определить потерю тепла с 1 м трубопровода диаметром , покрытого слоем изоляции толщиной Коэффициент теплопроводности трубы , а изоляции - Температура воды в трубопроводе , а окружающего воздуха . Коэффициенты теплоотдачи: Вычислить температуру на внешней поверхности изоляции.

Решение: Линейный коэффициент теплопередачи

(21)

Линейная плотность теплового потока

.

Температура на поверхности изоляции




Особенности тепловой изоляции тонких труб. Тепловой изоляцией называют покрытие из теплоизоляционного материала, которое способствует снижению потерь тепла в окружающую среду. Если цилиндрическая стенка покрыта изоляцией, то, согласно формуле (20) в примере, увеличение толщины изоляции, а значит и диаметра , приводит к росту сопротивления теплопроводности и одновременно – к снижению сопротивления внешней теплоотдачи (). Анализ ситуации показывает, что условием выбора тепловой изоляции является неравенство:


Пример 3. Для изоляции трубы диаметром предлагалось использовать пенобетон с теплопроводностью Задан коэффициент теплоотдачи


10

Решение. Тепловая изоляция должна удовлетворять условию Следовательно, пенобетон не может быть использован, т.к. покрытие этим материалом приведет к обратному эффекту.

Интенсификация теплопередачи. При неизменной разности температур между теплоносителями плотность теплового потока зависит от коэффициента теплопроводности k. Т.к. теплопередача представляет собой комплексное и сложное явление, рассмотрение путей ее интенсификации связано с анализом составляющих процесса. В случае плоской металлической стенки, когда ,



Отсюда видно, что коэффициент теплопередачи всегда меньше самого малого из коэффициентов теплоотдачи. Для повышения коэффициента теплопередачи нужно увеличивать наименьший коэффициент теплоотдачи или . Если , то следует увеличивать и , и . Теплообмен можно интенсифицировать путем оребрения стенки со стороны меньшей теплоотдачи. Тепловой поток через оребренную плоскую стенку (при условии, что )

, (22)

где ? коэффициент теплоотдачи оребренной стенки; -эффективный коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности. При использовании достаточно тонких ребер , где ? коэффициент теплоотдачи оребренной стенки;
? коэффициент эффективности ребра ; ? степень оребрения;
? площадь поверхности оребренной стенки.

Как следует из (22), оребрение поверхности позволяет выравнивать термические сопротивления теплоотдачи и тем самым интенсифицировать теплопередачу.

  1   2   3   4   5   6   7

Схожі:

Учебное пособие для студентов профессионального направления 0905 \"Энергетика\" iconДипломный проект специалиста
Учебное пособие предназначено для студентов направления 050304 «Нефтегазовое дело» в рамках специальности 7,8 05030402 «Газонефтепроводы...
Учебное пособие для студентов профессионального направления 0905 \"Энергетика\" iconТ. П. Волкова Математические методы в экологической геологии Учебное пособие
Разработаны задачи и вопросы для самостоятельной работы студентов. В приложении размещены наиболее широко используемые статистические...
Учебное пособие для студентов профессионального направления 0905 \"Энергетика\" iconУчебное пособие для студентов высших учебных заведений
Рекомендовано ученым советом Сумского государственного университета как учебное пособие
Учебное пособие для студентов профессионального направления 0905 \"Энергетика\" iconУчебное пособие для иностранных студентов направления подготовки
Охватывает и кадры, т е тех работников, которые выполняют все операции и осуществляют руководство системой в целом
Учебное пособие для студентов профессионального направления 0905 \"Энергетика\" iconУчебное пособие для студентов-иностранцев Авторы: Иваниенко В. В. Куликов П. М. Ответственная за випуск
Теория экономического анализа: учебное пособие для студентов-иностранцев /Иваниенко В. В., Куликов П. М. – Харьков: Изд. Хнеу, 2012....
Учебное пособие для студентов профессионального направления 0905 \"Энергетика\" iconУчебное пособие для студентов и преподавателей медицинских вузов (2-е издание) Под редакцией академика нан и амн украины профессора А. Д. Визира
«Методические разработки практических занятий по пропедевтике внутренних болезней»: Учебное пособие для студентов и преподавателей...
Учебное пособие для студентов профессионального направления 0905 \"Энергетика\" iconУчебное пособие для студентов и преподавателей медицинских вузов (2-е издание) Под редакцией академика нан и амн украины профессора А. Д. Визира
«Методические разработки практических занятий по пропедевтике внутренних болезней»: Учебное пособие для студентов и преподавателей...
Учебное пособие для студентов профессионального направления 0905 \"Энергетика\" iconУчебное пособие для вузов Усов Г. М., Федорова М. Ю. Правовое регулирование психиатрической помощи: учебное пособие для вузов. Зао "Юстицинформ", 2006 г
Охватывают все направления психиатрической помощи, в том числе добровольной, недобровольной и принудительной
Учебное пособие для студентов профессионального направления 0905 \"Энергетика\" iconДружинин В. Н. Экспериментальная психология: Учебное пособие
Рекомендовано Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов...
Учебное пособие для студентов профессионального направления 0905 \"Энергетика\" iconУчебное пособие для вузов Под редакцией А. Л. Журавлева Москва 2002 уд к 159. 9 Ббк88 с 69
Данное учебное пособие есть краткое изложение курса «Соци-альная психология» для студентов факультетов психологии класси-ческих,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи