Основы теплопередачи Михеев М.А, Михеева И.М.

6П2,2 М69 УДК 636.24: 621.! .016,4 Михеев М. А., Михеева И. М. М69 Основы аеплопередачи. Изд. 2-е, «Энергия», 1977. 344 с. с ил. стереотип. Мы 30302-001 М 21-77 061(0Ц-77 6П2.2 © Издательство «Энергия», 1977. и книге изложены основные наложения учения о теплообмене и их прилажена» к анализу работы тепловых устройств. Последовательно рассмотрены злементарные виды переноса теплоты (теплопроводность, конвекцня и тепловое излучение).

комплексный процесс теплопередачй и основы расчета теплообменных аппаратов. Первое издание книги вышло в !973 г. Во второе издаане книги внесены незначительные изменения и уточнения. Книга предназначена для инженерно-текиическах работнякав, ззкимающихся вопросами проектирования. изготовления н зксплуатации теплообменного оборудования. Она может быть использована студентами вузов в качестве учебного пособия.

ПРЕДИСЛОВИЕ Основные закономерности явлений переноса теплоты, механизм и методология исследования процессов теплообмена, рекомендации для практических расчетов составляют содержание этой книги. При ее написании преследовалась цель рассказать о сложных явлениях теплопередачи в возможно более простой и ясной форме при сохранении необходимой научной строгости.

Материал в книге расположен в порядке нарастания сложности обсуждаемых процессов с целью облегчения его усвоения читателем. Поэтому, например, комплексные процессы. теплопередачи излагаются после описания элементарных видов теплообмена, а вопросы гидромеханики по мере надобности приводятся совместно с изложением отдельных задач конвектнвного теплообмена. В книге рассмотрены основные положения теории подобия и их приложение к изучению процессов переноса теплоты. В конце каждого раздела приводятся числовые примеры решения наиболее характерных задач.

В целом в настоящем издании сохранены стиль, структура и характер, присущие известному учебнику академика М. А. Михеева (1902 — 1970 гг.) «Основы теплопередачи», последнее издание которого было выпущено в 1956 г. В учебнике М.

А. Михеева был обобщен опыт его многолетнего преподавания курса теплопередачи в вузах, рассмотрены результаты наиболее значительных экспериментальных и теоретических работ в области теории теплообмена и теплового моделирования. Издание книги в настоящем виде посвящается его памяти.

И. Михеева ВВЕДЕНИЕ Теплопередача является частью общего учения о теплоте, основы которого были заложены в середине ХЧ!11 в. М. В. Ломоносовым, создавшим механическую теорию теплоты и основы закона сохранения и превращения материи и энергии. В дальнейшем развитии учения о теплоте разрабатывались его общие положения.

В Х1Х в. основное внимание уделялось вопросам превращения теплоты в работу. С развитием техники и ростом мощности отдельных агрегатов роль процессов переноса теплоты в различных тепловых устройствах и машинах возросла. Во второй половине Х1Х в. ученые и инженеры стали уделять процессам теплообмена значительно больше внимания. В литературе имеется много работ тех времен по вопросам распространения и переноса теплоты, некоторые из них сохранили значимость до наших дней.

Именно в эти годы, например, была опубликована работа О. Рейнольдса, в которой устанавливается единство процессов переноса теплоты и количества движения, его «гидродинамическая теория теплообмена» (1874 г.). Учение о теплоте окончательно оформилось в самостоятельную научную дисциплину лишь в начале ХХ в. В настоящее время теплопередача вместе с технической термодинамикой составляют теоретические основы теплотехники. В развитие теплопередачи наряду с зарубежными исследователями большой вклад внесли русские ученые. Их труды до сих пор сохранили свое значение.

Изучение вопросов теплообмена в нашей стране с 20-х годов возглавил акад. М. В. Кирпичев, придавший ему новое инженерно-физическое направление. Были разработаны оригинальные пути исследования сущности рабочих процессов и работы тепловых устройств в целом, что позволяло научно обоснованно решать многие инженерные задачи.

Одновременно с этим была разработана общая методология исследований, обработки и обобщения опытных данных. Все имевшиеся данные по теплообмену были пересмотрены, уточнены и приведены в определенную систему. Большое развитие в нашей стране получила теория подобия, являющаяся по существу теорией эксперимента.

На ее основе была разработана теория теплового моделирования технических устройств. 4 Исследования показывают, что теплопередача является слож ным процессом. При изучении этот процесс расчленяют на простые явления. Различают три элементарных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. Т е п л о п р о в о д н о с т ь ю называется перенос теплоты (или внутренней энергии) при непосредственном соприкосновении тел (или частей одного тела) с различной температурой. Явление к о н в е к ц и и наблюдается в движущихся жидкостях или газах. Перенос теплоты при этом происходит просто за счет перемещения вещества в пространстве.

Тепловым излучением называется явление переноса теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением — тепловой энергии в лучистую и обратно. В действительности элементарные виды теплообмена не обособлены и в чистом виде встречаются редко. В большинстве случаев один вид теплообмена сопровождается другим. Например, обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью (или газом) происходит путем теплопроводиости и коивекции одновременно и называется к о н в е к т и в н ы м т е и л о о б м е н о м или т е п л о о т д а ч е й.

В паровых котлах в процессе переноса теплоты от топочных газов к внешней поверхности кипятильных труб одновременно участвуют все три вида теплообмена — теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. От внешней поверхности кипятильных труб к внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи теплота переносится путем теплопроводности. Наконец, от внутренней поверхности труб к воде теплота переносится путем теплопроводности и конвекции. Следовательно, на отдельных этапах прохождения теплоты элементарные виды теплообмена могут находиться в самом различном сочетании. В практических расчетах такие сложные процессы иногда целесообразно рассматривать как одно целое.

Так, например, передачу теплоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называют процессом те ил о не р ед а ч и. В книге рассмотрены основные количественные и качественные закономерности протекания этих как элементарных, так и более сложных процессов. Все замечания по содержанию книги просьба направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, изд-во «Энергия». ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ г, /1 б, В 1, /. '6 д, и Г $ 1 Т тс /м б/ Л1 А/ о Р Ар б т Е Р Р Р с„; ср— 1 г Р У 3 о е г/ Ю чс "и а радиус, м; диаметр, м; характерный размер, длина, м; толщина, и; высота, и; поверхность, площадь поверхности теплообмена, мз; плошадь поперечного сечения, мз; время, с; температура, 'С; температура, К; температура поверхности, 'С; температура жидкости, газа, 'С; температура насыщения, 'С; изменение температуры жидкости в направлении ее движе- ния, 'С; температурный напор, разность температур, 'С; средний логарифмический температурный напор, 'С; избыточная температура, 'С; давление, Па; перепад давлений, Па; массовый расход жидкости, газа, кг/с; объем, мэ, или объемный расход жидкости, газа, мэ/с; масса вещества, кг; скорость, м/с; ускорение свободного падения, м/сз; плотность, кгlмэ; плотность.

соответственно жидкости и пара, кгlма; температурный коэффициент объемного расширения, 1/'С, 1/К; удельная теплоемкость при постоянном объеме и давлении со- ответственно, Дж/(кг 'С); энтальпия, Дж/кг1 теплота фазового перехода, Дж/кг; динамический коэффициент вязкости, Па с; кинематическнй коэффициент вязкости, мз/с; сила трения, Па; поверхностное натяжение, Н/и; коэффициент сопротивления трения; краевой угол между стенкой и свободной поверхностью жид- кости; тепловой поток, Вт; плотность теплового потоха, Вт/мз; линейная плотность теплового потока, Вт/м; мощность внутреннего источника теплоты, Вт/мэч коэффициент теплапроводностн, Вт/(м 'С); коэффициент температуропроводиости, мз/с; ГЛАВА пгРВлз ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ 1-с ОснОВнОЙ 3АкОн теплОНРОВОднОсти Если в твердом теле, неподвижной жидкости или газе температура в различных точках неодинакова, то, как показывает опыт, теплота самопроизвольно переносится от участков тела с более высокой температурой к участкам с более низкой температурой.

Такой процесс называется теплопроводностью. Внутренний механизм явления теплопроводности объясняется на основе молекулярно-кннетнческих представлений; перенос энергии при этом осуществляется вследствие теплового движения и энергетического взаимодействия между микрочастицами (молекулами, атомами, электронами), из которых состоит данное тело. Процесс теплопроводности неразрывно связав с распределением температуры внутри тела. Поэтому при его изучении прежде всего необходимо установить понятия температурного поля и градиента температуры. 1. Т е м п е р а т у р н о е и о л е.

Температура, как известно, характеризует тепловое состояние тела и определяет степень его нагретости. Так как тепловое состояние отдельных частей тела в процессе теплопроводности различно, то в общем случае температура 1 является функцией координат х, у, г и времени т, т. е. 1 = ~ (х, у,г,т), (а) Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени называется температурным полем.