Рыжков основы тепломассобмена уч пос 2007 (Основы теплообмена пособие)

Московский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаС.В. РыжковОСНОВЫ ТЕПЛООБМЕНАРекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Бауманав качестве учебного пособияпо курсу «Теория тепломассообмена»МоскваИздательство МГТУ им. Н.Э. Баумана2007УДК 536.2(075.8)ББК 31.31Р93Рецензенты: Н.В.

Парамонов, О.В. БеловаРыжков С.В. Основы теплообмена: Учеб. пособие поР93 курсу «Теория тепломассообмена». – М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э. Баумана, 2007. – 80 с.: ил.ISBN 978-5-7038-2943-1Пособие посвящено рассмотрению основных видов теплопереноса, их математическому описанию, количественным характеристикам и методам расчета. Приведен необходимый минимум теоретических сведений. Существенное внимание уделено практическойстороне вопроса: в пособии содержатся задачи для самостоятельного решения.Для студентов 3-го курса факультетов Э и СМ.Ил.

27. Библиогр. 8 назв.УДК 536.2(075.8)ББК 31.31ISBN 978-5-7038-2943-1© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007ПРЕДИСЛОВИЕПредметом учебного пособия является описание закономерностей, определяющих интенсивность переноса теплоты, методовнахождения и исследования этих закономерностей и способов ихприменения при расчетах процессов тепломассообмена в энергетических машинах и аппаратах.При проектировании большинства машин (двигатели, компрессоры, теплообменные аппараты и т. д.) для обеспечения минимальных размеров системы необходимо учитывать интенсивностьтеплообмена. В настоящем пособии рассматриваются физическиеосновы передачи теплоты и методы расчета процессов теплообмена.Основные цели пособия – подготовка специалистов к расчетным и экспериментальным исследованиям в области тепломассообмена, к научно-исследовательской работе и конструированиюэнергетического и тепломассообменного оборудования различногоназначения, а также создание основы для изучения студентамипрофилирующих дисциплин.Предлагаемый курс составлен в соответствии с учебными программами для студентов МГТУ им.

Н.Э. Баумана различных специальностей.Автор признателен профессорам, докторам технических наукВ.Н. Афанасьеву, П.И. Пластинину, В.И. Хвесюку за полезное обсуждение и ценные замечания.3ВВЕДЕНИЕРазличают три вида теплообмена.Теплопроводность – распространение теплоты внутри телапутем непосредственного соприкосновения его частиц, имеющихразличную температуру (это молекулярный способ переноса тепловой энергии).В чистом виде явление теплопроводности наблюдается в твердых телах, неподвижных газах и жидкостях при условии отсутствия в них конвективных токов.В газах и жидкостях явление теплопроводности обычно связано с рядом других физических явлений, например с движениеммассы газа и с переносом теплоты.

Изучение теплопроводности вметаллах показывает, что механизм распространения теплоты аналогичен распространению электричества.Конвективный теплообмен (конвекция) – передача теплоты,осуществляемая перемещающимися в пространстве частицамижидкости или газа в среде с неоднородным распределением скорости и температуры (это конвективный перенос теплоты).В зависимости от причины, вызывающей движение жидкостиили газа, различают конвективный теплообмен: а) при свободномдвижении среды (свободная, или естественная, конвекция); б) привынужденном движении среды (вынужденная, или принудительная, конвекция).Свободная конвекция имеет место, когда движение жидкостиили газа вызвано исключительно неоднородностью различныхчастей исследуемой среды, что обусловлено их неодинаковым нагревом. Свободную конвекцию, протекающую в поле сил тяготения, часто называют гравитационной.Вынужденная конвекция имеет место тогда, когда движениежидкости или газа вызвано внешними причинами (перепад давления или поток, создаваемый насосом, компрессором, движениемсамолета относительно воздуха; вентиляторный обдув при охлаждении двигателей; движение тела в жидкой среде под действием4силы тяги и т.

д.). Теплообмен при вынужденной конвекции, какправило, во много раз интенсивнее теплообмена при свободнойконвекции.Теплоотдача – это конвективный теплообмен между движущейся средой (жидкостью или газом) и поверхностью ее раздела сдругой средой.Теплопередача – перенос теплоты от горячей жидкости к стенке и от стенки к холодной жидкости вследствие конвекции, а черезстенку – вследствие теплопроводности.Лучистый теплообмен – это передача теплоты, осуществляемая тепловым излучением (электромагнитные волны). Лучистыйтеплообмен характеризуется тем, что нагретое тело способно превращать часть энергии, принадлежащей телу, в лучистую энергию,которая передается от одного тела к другому.

Встречая на своемпути какое-нибудь тело, тепловые лучи частично поглощаются иснова превращаются в теплоту, частично отражаются и частичнопроходят сквозь тело.Анализ конкретных явлений показывает, что обычно три видатеплообмена (теплопроводность, конвекция, излучение) происходят одновременно, т. е. на практике совершается сложный теплообмен.Теплообмен, обусловленный совместным переносом теплотытеплопроводностью, конвекцией и излучением, называется радиационно-конвективным теплообменом.

Если теплота передаетсятеплопроводностью и излучением, то такой вид теплообмена называется радиационно-кондуктивным.Течение в трубе на таком удалении от входа, что поле скоростипрактически не зависит от характера распределения скорости навходе, называется стабилизированным течением. В случае постоянных физических свойств жидкости при стабилизированном течениираспределение скорости по сечению не изменяется с длиной трубы.Если в процессе истечения в любом сечении скорость рабочеготела не изменяется со временем, то такой процесс истечения называется установившимся.

При установившемся истечении в любомсечении должны оставаться постоянными не только скорость, но ипараметры рабочего тела.При ламинарном (струйчатом) режиме течения жидкости, когда линии тока параллельны теплоотдающей поверхности, интенсивность теплоотдачи невелика, слабо зависит от скорости течения5жидкости и сильно изменяется при изменении теплофизическихсвойств теплоносителя.При турбулентном (вихревом) режиме течения скорость в каждой точке потока пульсирует около некоторого среднего по времени значения.

Вследствие этого возникает интенсивное поперечное перемешивание жидкости, что и вызывает интенсивный обменколичеством движения и теплотой между слоями с различной скоростью.61. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬВ чистом виде этот процесс возможен лишь в однородныхтвердых телах. В основу теории распространения теплоты положен простейший опытный факт: потоки теплоты возникают в среде только при условии, что в ней имеются элементы с неодинаковой температурой. Следовательно, для любой данной среды процесс переноса теплоты всецело зависит от распределения температуры. При любом температурном поле в теле всегда имеются«точки» с одинаковой температурой, при соединении которых получаются изотермические поверхности.

Температура в телеизменяется только лишь в направлении, пересекающем изотермы. При этом наиболее сильноеизменениетемпературы(dT/dn) получается в направлениинормали к изотермам (рис. 1). Количество теплоты, протекающей вединицу времени через элемент Рис. 1. Измерение температурыв теле (закон Фурье)изотермической поверхности внаправлении нормали к ней, называется тепловым потоком Q, Вт. Тепловой поток, отнесенный кединице поверхности, называется удельным тепловым потоком2(или плотностью теплового потока), Вт/м :q=Q.F(1)По закону Фурье удельный тепловой поток пропорционаленпроизводной от температуры по нормали dT/dn к изотермическойповерхности:7q = −λ∂T.∂n(2)Знак минус в формуле (2) указывает на то, что векторы q иgrad T направлены в противоположные стороны; λ – физическийпараметр, называемый коэффициентом теплопроводности, Вт//(м ⋅ К); он характеризует способность вещества проводить теплоту:QQ/FqF.λ=−=−∂T / ∂nΔT / ΔnСледовательно, значение коэффициента теплопроводности определяет собой количество теплоты, которая проходит в единицу2времени через 1 м поверхности при падении температуры в 1 градна 1 м пути теплового потока.Для различных веществ коэффициент теплопроводности различен и для каждого из них зависит от структуры, плотности,влажности, давления и температуры тела.

Аналитически длябольшинства материалов зависимость коэффициента теплопроводности от температуры линейна:λt = λ 0 (1 + bt ),где λ0 – значение коэффициента теплопроводности при 0 °С; b –постоянная, определяемая опытным путем.Для одномерного случая температура тела изменяется в пространстве и во времени:T = f ( x, τ),где x – пространственная координата; τ – время.Совокупность значений температуры во всех точках тела пообъему в любой момент времени называется температурным полем.Связь между изменениями температуры в пространстве и вовремени устанавливается на основе первого и второго законовтермодинамики и закона Фурье и выражается дифференциальнымуравнением теплопроводности, имеющим в прямоугольных координатах для однородного и изотропного тела при отсутствии внутренних источников теплоты следующий вид:8∂T∂ 2T=a 2 ,∂τ∂x(3)λ– коэффициент температуропроводности, характериcρзующий скорость выравнивания температуры в неравномерно на2гретом теле, м /с; с – теплоемкость, кДж/(кг ⋅ К); ρ – плотность,3кг/м .