Основы теории теплообмена Кутателадзе С.С.

УДК 636.24 Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. — Изд. 5-е перераб. и доп. — Мз Атомиздат, 1979, 416 с. 30302 — О11 К 034(01) 79 ! 1 — 79 2303010000 © Атомнздат, !979 В пните сжато изложены основные проблемы современной теории теплообмена, в том числе многие выходящие за рамки стандартных курсов. Особое внимание уделено турбулентному переносу тепла в однородных н неоднородных средах, в частности асимптотическим свойствам турбулентного пограничного слоя при сложных граничных условиях.

Значительное место занимают также гидродииамическне закономерности теплообмена при конденсации и' кипении. Как в теоретическом изложении, так и в приводимых зкспериментальных материалах содержится большое число оригинальных результатов. Все. результаты доведены до формы расчетных зависимостей и рекомендаций. В данное, пятое, издание включены новые материалы по теплообмеиу в пакетах ц засыпках, радиациоино-конвективному и нестацнонарному теплообмену, переработаны и дополнены главы по кипению и конденсации и по теплообмену в разреженном газе.

Книга рассчитана на научных работников, инженеров-исследователей, аспирантов и студентов старших курсов университетов и политехнических институтов, работающих или специализирующихся в области теплофизики и физической гидроаэродинамики.

Рис. 286. Табл. 49. Список литературы 30! наименование. ПРЕДИСЛОВИЕ Первое издание этой книги вышло ограниченным тиражом в 1954 г. и представляло собой курс лекций, читавшихся инженерам высшей квалификации. Два последующих (в 1957 и 1962 гг.), существенно дополненных издания были выпущены Машгизом. Английский переводтретьего издания был опубликован в !963 г.

(Е. Агпо!д Рп61!зйегз, 1опдоп, Аса«(еш!с Ргезз1пс., Хев Уогк). Сибирское отделение издательства «Наука» выпустило четвертое издание в 1970 г. В 1976 г. четвертое издание книги было удостоено премии им. И. И. Ползунова АН СССР. За эти годы книга складывалась как учебное пособие в значительной мере монографического характера, отражающее деятельность определенной научной школы.

В создании ее отдельных глав принимали участие доктора наук В. М. Боришанский. Э. П. Волчков, А. Г, Кирдяшкин, А. И. Леонтьев, Б. П. Миро нов, В. Е. Накоряков, А. К. Ребров, Н. А. Рубцов, Е. М. Хабахпашева и некоторые другие мои коллеги по Институту теплофизики и Центральному котлотурбинному институту. В этом издании за счет некоторого сокращения традиционного материала расширено изложение новых проблем и результатов.

Академику М. А. Стыриковичу, членам-корреспондентам Академии наук СССР Б. С. Петухову и В. И. Субботину я признателен за просмотр рукописи. Рукопись данного издания подготовлена В. Ю. Чеховичем, Н. И. Козин- ской, Э. Г. Маленковой.

Хотя этот труд в определенной мере и коллективный, но за недостатки и упущения, которые обнаружит читатель, ответствен только я. С. С. КАТАТЕЛАДЗЕ СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ И ИНДЕКСОВ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Нгь /г=ху А — поглощательная способность тела и = )г/ср — коэффициент температуропроводности, мз/с и* — скорость распространения звука, м/с с — удельная теплоемкость, Дж/(кг К) с/ — коэффициент трения /у — диаметр, и Š— плотность поверхностного или полусферического излучения, Вт/и* Р— площадь поверхности нагрева, поверхности раздела фаз и т. п., мэ а — ускорение силы' тяжести, и/сз = Г~~р~э — среднйя взаимная поверхность излучения между двумя телами, мз ; йз=хб — соответственно оптическая глубина и толщина слоя поглощающей среды; г — удельное теплосодержаиие (энтальпия), Дж/кг / — интенсивность или яркость излучения, Вт/(ср мз) й — коэффициент теплопередачи, Вт/(мз.

К) й — степень турбулентности потока йэ (ь) — экспоненциальный интеграл Š— полная высота (длина) поверхности нагрева (охлаждения), м /' — линейный размер, м р †'давление, Па Π— количество тепла или общий тепловой поток, Дж или Вт д — плотйость теплового потока, Вт/мз д — плотность теплового потока, при которой происходит смена пузырькового хр, режима. кипения пленочным режимом (первая критическая плотность теплового потока), Вт/мз у — плотность теплового потока, при которой происходит разрушение сплошав« нпй паровой пленки на поверхности нагрева и восстанавливается пузырьковый режим кипения (вторая критическая плотность теплового потока), Вт/м' Ру —, плотность внУтРеннего источника тепла, Вт/мз Р— радиус, м г — скрытая теплота парообразования, Дж/кг à — время, с Т вЂ” абсолютная температура, К Т„о — критическая температура (в термодинамическом смысле), К Т' — температура торможения, К Т" — температура насыщения пара, К и — объемная плотность лучистой энергии, Дж/мз )г — объем, мз У вЂ” пульсационная составляющая вектора скорости, м/с о — удельный объем,мз/кг (/ тс /р — «динамическая скоросты, или «скорость касательного напряженияэ, м/с ю — скорость течения, м/с ю' — скорость течения пара нлн газа в двухфазной системе, м/с.

х, у, г — координаты а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(мз К) Б — коэффициент рассеяния излучения в объеме среды, м -г 6 — толщина, и е — излучательная способность тела (среды) Ь вЂ” коэффициент гидравлического сопротивления- = о«у/т — безразмерное расстояние от стенки 6„ б — безразмерная температура х — константа структуры турбулентного потока со значительным поперечным градиентом скорости ь — коэффициент теплопроводности, Вт/(м К) р — коэффициент динамической вязкости, Па с т = р/р — коэффициент кинематической вязкости, м«/с $ — безразмерная координата р — плотность, кг/мз коэффициент поверхностного натяжения, Н/и нормальное напряжение, Па постоянная Стефана — Больцмана, Вт/(мз Кз) касательное напряжение, Па средний разрешающий угловой коэффициент излучения между двумя те- лами средний угловой ко(гйфнцнент излученця между ь'-ым и й-ым телами средний разрешаюад4' уишзой козффццнецу излучения между двумя телами с учетом экрзамй(4фйзизця промежуточной средой средний угловой коэффиццвцт'излучения мвцгду двумя телами (зонами) с учетом экранирования нремежуточной средой плошадь поперечного сечения, Мз безразмерная скорость течвиий а— п„— оз т— Фгь— агав гз ИНДЕКСЫ гр — граничный к — конвективный кр — критический от — относительный п — падающий э — эффективный с — собственный р — радиационный ст — стенка (твердая поверхность) Т вЂ” турбулентный, тепловой н — нормальный к поверхности к, А — поглощенный Я, й — соответственно отраженный и рассеянный (объемная среда) ), й — номера изотермическнх зон (тел) о — относится к масштабной точке системы ' — показывает, что величина относится к твердой или жидкой фазе ' — показывает, что величина относится к паровой (газовой) фазе †, - — показывает относительное значение величины — — знак осреднения 1лава ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА 1д.

пРедмет тсвйки тепл00вмвнд При соприкосновении двух тел, щгеггэцих различную температуру, происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов), вследствие чего интенсивность движения частиц тела, имевшего меньшую температуру, увеличивается, а интенсивность движения частиц тела с более высокой температурой уменьшается.

В результате одно из соприкасающихся тел нагревается, а другое остывает. Поток энергии, передаваемой частицами более горячего тела частицам тела более холодного, называется тепловым потоком. Таким образом, для возникновения теплового потока, т. е. процесса тепло- обмена между различными областями пространства, заполненного вещественной средой, необходимо и достаточно, чтобы в этих областях имели место неодинаковые температуры. Иначе говоря, единственным условием возникновения теплообмена является наличие разности температур между рассматриваемыми телами.

При этом тепловой поток направлен в сторону меньших температур. Значимость процесса теплообмена как в природе, так н в технике определяется тем, что свойства тел самым существенным образом зависят от температуры, т. е. от их теплового состояния. Последнее же, в свою очередь, определяется условиями теплообмена, которые поэтому оказывают решающее влияние на процессы изменения агрегатного состояния вещества, на течение химических реакций (в частности, процесса горения), механические, электроизоляционные, магнитные и другие свойства тел.

Именно этими обстоятельствами и объясняются бурное развитие теории теплообмена в ХХ веке и то исключительное внимание, которое ей уделяется в физике планетарных процессов, энергетике, химической технологии и в ряде других отраслей науки н техники. Предметом теории теплообмена являются процессы переноса тепла из одной части пространства в другую. Наряду с рассмотренным случаем теплообмена непосредственно в вещественной среде, являющегося следствием движения структурных частиц, имеет место также перенос теплоты посредством лучеиспускания (например, в космических процессах).

Поэтому следует различать теплообмен путем непосредственного соприкосновения тел н лучистый теплообмен, когда энергия передается от одного тела к другому посредством электромагнитного поля. В вещественной среде распространение тепла, в конечном счете, всегда связано с тепловым движением структурных частиц. Однако непосредственный перенос определенных порций теплоты из одной области в другую может происходить не только в результате последовательного обмена энергией частиц, заполняющих пространство между рассматриваемыми областями, но и в результате перемещения состоящих из большого количества молекул объемов среды.

Процесс распространения тепла только вследствие движения структурных частиц называется теплопроводностью, а процесс теплопередачи, обусловленный перемещениями молярных объемов среды, — конвекцией. Таким образом, существуют три способа переноса тепла: теплопроводность (кондукция), перемешивание (конвекция) и излучение (радиацня). В действительных процессах все эти три способа теплообмена обычно сопутствуют друг другу и часто связаны с переносом массы (диффузией), т. е.