Основы теплопередачи (Михеев М.А.) (1013624), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Но в связи "с изобретением паровой машины, а затем паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания, особое внимание в этот период уделялось вопросам превращения тепла в работу. Позднее, с развитием техники и значительным ростом мощности отдельных агрегатов роль процессов теплопередачи в работе тепловых машин стала возрастать. В 1904 г. была опубликована диссертация А. А.
Радцига, в которой он дает анализ работы паровой машины в зависимости от условий тепло- передачи через стенки цилпндра. Такие же работы ряда русских гтеплотехников — В. Г. Шухова, К. В. Кирша и др.— были посвящены паровым котлам. В эти годы явлениям теплообмена стали уделять большое внимание и в других отраслях техники — строительной, металлургической, холодильной, машиностроительной, электротехнической и т. д. Несмотря, однако, на имевшиеся достижения, еще в начале текущего столетия учение о теплообмене находнлось в зача- вввдвнив точном состоянии и представляло собой лишь собрание отдельных эмпирических данных.
Но успехи физики последних десятилетий и, в частности, изучение условий ламннарного и турбулентного движения жидкости, открытие у стенки ламинарного пограничного слоя позволили глубже выявить физическую сущность процессов теплообмена. Одновременно с этим была разработана общая методология исследования, обработки и обобщения опытных данных, в основу которой положена теория подобия. Все имевшиеся данные по теплообмену затем были пересмотрены, угочнены и приведены в определенную систему. Теперь учение о теплообменв оформилось в самостоятельную научную дисциплину и вместе с термодинамикой составляет теоретическую основу теплотехники. Большой вклад в развитие учения о теплообмене впсслн русские ученые.
Исключительное значение имели работы члена-корр. Академии наук СССР А. А. Радцига (1869 †19), который правильно оценил значение явлений теплообмена в технике и впервые прочел цикл лекций по теплопередаче для широкого круга инженерно-технических работников. С 20-х годов развитие учения о теплообменз в СССР возглавляет академик М. В. Кирпичев, который является создателем советской школы физической теплотехники. Этой школой были разработаны свои оригинальные пути как исследования физической сущности процессов тжлоабмена, так и изучения работы тепловых устройств в целом.
Многие из работ эточ школы определили собой дальнейшее развитие учения о теплообмене, опередив работы зарубежных исследователей. Большое развитие получила теория подобия, разработкой которой у нас занимались еще проф. В. Л. Кнрпичев (1845— 1913) и проф. А. Федерман (1911).
В настоящее время теория подобия нами рассматривается как теория эксперимента н на основе ее в Советском Союзе была создана теории теплового моделирования. Совегскпмн учеными были разработаны оригинальные и эффективные способы расчета теплопроводности — теория регулярного режима и метод элементарных балансов; расчета конвектнвного теплообмена по методу теплового пограничного слоя; расчета теплоотдачн при кипении жидкостей и конденсации паров; расчета различных случаев теплоотдачи и, в частности, теплоотдачп перегретого пара при высоких давле- введение ниях; расчета взаимной облученности тел и радиационного теплообмена в топках. Далее, разработаны оригинальные методы экспериментального изучения теплоотдачи и теплопроводности; проведены определения коэффициента теплопроводности различных жидкостей, газов и водяного пара при высоких давлениях и температурах.
Наконец, составлены таблицы водяного пара и других рабочих веществ и разработаны нормы теплового расчета паровых котлов. Все этн достижения являются результатом работы большого коллектива советских ученых. Быстрое и всестороннее развитие учения о теплообмене в СССР определяется созданными Советским Правительством благоприятными условиями для развития науки, тесной связью науки с практикой н широкой возможностью в социалистических условиях постановки научных исследований на производстве — на станциях и заводах. Исследования показали, что теплообмен является сложным процессом. Поэтому при изучении этот процесс расчленяют на простые явления. Различают три элементарных вида тепло- обмена — теплопроводпость, конвенцию и тепловое излучение. Явление теплопроводности состоит в том, что обмен энергии происходит путем непосредственного соприкосновения между частицами тела.
При этом в жидкостях и твердых телах (диэлектриках) перенос энергии осуществляется путем упругих волн, в газах — путем диффузии атомов или молекул, а в металлах — путем диффузии свободных электронов. Явление конвекции происходит лишь в жидкостях н газах. Оно состоит в том, что перенос энергии осуществляется путем перемещения частиц. Прн этом очень большое значение имеют состояние н характер движения жидкости. Явление конвекции всегда сопровождается явлением теплопроводности. Явление теплового излучения — это процесс распространенна энергии в виде электромагнитных волн.
По природе это явление отлично от теплопроводностн,н конвекции и сопровождается превращением энергии — тепловой энергии в лучистую и, обратно, лучистой энергии в тепловую. В действительности простые явления теплообмена не обособлены и в чистом виде встречаются редко. В большинстве случаев один вид теплообмена сопровождается другим. введение В теплообмекных аппаратах процесс передачи тепла протекает еще сложнее. В разных частях аппарата элементарные виды теплообмена сочетаются по-разному. В паровом котле например, в процессе передачи тепла от топочных газов к внешней поверхности кипятильных трубок одновременно имеют место все три вида теплообмена — теплопроводность, конвекция и излучение. От внешней поверхности кипятпльных трубок к внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи тепло передается только путем теплопроводности. Наконец, от внутренней поверхности кипятильных трубок к воде тепло передается только конвекцией.
Следовательно, отдельные виды теплообмена здесь протекают в самом различном сочетании' и разделить их между собой очень трудно. В практических расчетах такие сложные процессы иногда целесообразно рассматривать как одно целое, присваивая им специальные названия. Перенос тепла от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку, например, называется процессом теплопередачи.
Изучение закономерности протекания всех этих процессов и является задачей курса. ГЛАВА ПЕРВАЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПРИ СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ 1. ОСНОВНОЙ ЗАКОН ТЕПЛОНРОВОДНОСТН Процесс распространения тепла неразрывно связан с распределением температуры. Поэтому прежде всего необходимо установить понятия температурного поля и температурного градиента. !. Температурное поле. Температура, как известно, является параметром состояния тела и характеризует степень его нагретости. В общем случае температура ! является функцией координат х, у н з и времени ~, т. е. Е= Г(х, у, з, т).
(а) Совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек пространства называется гнемиературным нолем. Уравнение (а) является математической формулировкой такого поля. При этом, если температура зависит от времени, то поле называется неустан ~вившимся илн нестааионарным.
Если же температура во времени не меняется, то поле называется установившимся или стационарным. Температурное поле может быть функцией трех, двух и одной координаты. Соответственно оно называется трех-, двух- и одномерным. Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля: 8= г'(х). (Ь) 2. Температурный градиент. Геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру, образует изотермическую поверхность.
Так как в одной и той же точке пространства одновременно не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности разных температур друг с другом не пересекаются. Все онн или замыкаются на себя илн кончаются на границах тела. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности (напРавление х, фиг. 1).
При этом наиболее резкое изменение 12 топлопгозодность пги стьпионьгном гажиих 1га. ь и~( — "~ = —",=~.и с( . а (а о вн (с) Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности. Его положительным направлением считается направление в сторону возрастания температуры. Значение температурного градиента, взятое с обратным знаком, называют падением температуры.
3. Закон Фурье. Изучая явь ление теплопроводности в твердых телах, Фурье установил, что количество переданного тепла О пропорционально падению температуры, времени и площади сечеФиг. 1. К определению темпе- ния, перпендикулярного напраратураого гралиоата. влению распространения тепла. Если количество переданного тепла отнести к единице площади и едивице времени, то установленную зависимость можно записать так: а= — Хпгаб1. Уравнение П) служит математическим выражением основного закона распространения тепла п,тем теплопроводности и называется законом Фэ рве.
ы ю ь / Величина д, представляющая со- 'М бой количество тепла, переданного в единицу времени через единицу поЩь верхности, называется тепловым пол-- х тоном. Эта величина является вектором, направление которого совпадает с направлением распространения тепла и противоположно направлению температурного градиента Ф"г. 2. закон ФУРье. (фиг.2), на что указывает знак минус в уравнении 11). В технической системе измерений тепловой поток выражается в ннал(м' час. 4. Коэффициент теплопр, водности. Множитель пропорциональности ь в уравнении 1!) называется коэффициентом теплопроводности. Он является физическим параметром веще- получается в направлении нормали и к изотермическим поверхно тям. Предел отношения изменения температуры Ы к расстоянию между изотермами по нормали Ьп называется темпелатурным градиентом, который обознача~тся одним из следующих символов: !] ОснОВнОЙ зАкОн теплопроводности ~з ства и характеризует собой способность вещества проводить тепло: 'а газ лаа л=л,(1+и), (е) где Ав — значение коэффициента теплопроводности при 0'С и Ь вЂ” постоянная, определяемые опытным путем.
Следовательно, величина коэф1ициента теплопроводности определяет собой количество тепла, которое проходит в единицу времени через единигау поверхности при падении температуры в 1 С на'единицу длины. Для различных веществ коэффициент теплопроводности различен и для каждого из них зависит от структуры, обаемного веса, влажности, давления и температуры. Все вместе взятое сильно затрудняет выбор правильного значения коэффициента теплопроводности. При технических расчетах значения коэффициента теплопро- г водности обычно зыби- .о' г Х раются из справочных таб- Р лиц.
При этом надо сле- Ч у дить за тем, чтобы физи- з ческая характеристика ма- ии Ю а териала (структура, объемный вес, влажность, тем- Ъ пература) были соответственны. Для некоторых материалов такие данные Л . ~ Алг приведены на фиг. 3 †: 6 и й Яг в приложении. Для ответственных расчетов значения коэффициента тепло- гар гпа уап проводности определяют- г зь. ся путем лабораторного фиг. з. а=урн различных газов. иЗученИя прИМЕняЕмОгО 1 — аоаааов аар; 2 — ааеаором 3 — угаеааеаота; 4- материала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
