Глава I. Введение в курс теплопередачи (1013630)
Текст из файла
ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ В КУРС ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ 1.1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА Теорией теплопередачи или теплообмена называется наука, изу. чающая процессы переноса тепла в пространстве с неоднородным температурным нолем. Процессы теплообмена возникают между различными телами или отдель. ными частями одного и того же тела при наличии разности температур. Наука о теплообмене насчитывает несколько столетий, но настоящего распвета она достигла лишь в ХХ веке, найдя широкое применение при решении назревших практических задач техники. Нз раздела теоретической физики уче.
ние о теплообмене превратилось в самостоятельную научно. техническую дисциплину. Особенно сложные и важные задачи стоят в области изучения теплообмена в совреь1енной авиационной, ракетной и космической технике. При сверхзвуковых скоростях полета значительно изменяются условия теплопередачи в отдельных элементах конструкции летательного аппарата. Возникает кеобходимость его охлажденвя или защиты от аэродинамического нагрева, являющегося следствием трения между поверхностью летательного аппарата и набегающим пото.
ком воздуха или потоком каких-либо других газов, составляющих атмосферы планет. Проблема тепловой защиты космического летательного аппарата от высоких удельных тепловых потоков и высоких температур набегающего газового потока при входе аппарата с гиперзвуковой скоростью в атмосферы планет (и в частности Земли) разрабатывается в течение 30 — 40 лет. За это время проведено широкое исследование различных видов теплозащитных материалов и теплозашитных покрытий, обеспечивающих надежную тепловую защиту летательного аппарата. Разработана теория и исследованы основные закономерности термодинал~ики и теплообмена процессов воздействия высокоэнергетических и высокотемпературных газовых потоков на различные конструкционные ма. терн алы.
Не менее важные и сложные проблемы учета теплообмена возникают при конструировании современных авиационных и ракетных двигателей. Высокая тепловая напряженность реактивных двигателей, использование криогенных топлив и многие другие важные вопросы требуют от современного конструктора этих двигателей умения произвести сложный инженерный расчет теплообмена в них и их агрегатах. Большое значение теория теплообмена имеет в расчетах тепловых режимов летательных аппаратов, кабин таких аппаратов, систем жизнеобеспечения и кои.
диционировання, надежной работы радиоэлектронной аппаратуры, а также в современной атомной энергетике, в обеспечении тепловых режимов ядерных эиергетическнх установок и их безопасности. Учение о теплсюбмене является частью общего учения о теплоте, основы которого были заложены великим русским ученым М. В.
Ломоносовым. Целый ряд русских ученых Г. В. Рихман (1711 — 1753), Б. Б. Голицын (!862 — 19!6), С. Я. Терешин (1863 — 1921) и другие исследовали процессы теплосбмена и заложили основы теплопередачи. Французские ученые — математики 7К. Б. Фурье и С. Д. Пуассон в Х)Х столетии создали основы математической теории тепла. Русский ученый В. А. Михельсон был первым исследователем, поставившим в 1890 г, вопрос об изучении зависимости лучеиспускания от температуры и длины волны. Основной закон излучения был открыт экспериментально австрийским учеимм И. Стефаном, а теоретически был выведен иа основе второго закона 7 термодинамики австрийсхим ученым Л. Больцманом. Немецкий ученый В. Вни, пользуясь методами термодинамики, установил одни нз законов теплового излу- чения, связывающий длину волны, соответствующую максимальной интенсивно. сти излучения черного тела, с абсолютной темнературой излучающей поверх- ности.
Немецкий ученый М. Планк в !900 г. теоретически нашел закон распре- деления интенсивности теплового излучения по длинам волн при различных температурах, а Р. 3. Ленц провел в !869 г. экспериментальные исследования, подтвердившие связь между коэффициентами теплопроводности и электропро- водностн металлов. Теория теплообмена строилась иа так называемой феномено- логической основе, заключающейся в рассмотрении отдельных явлений как неко- торых изолированных закономерностей, которые могут быть описаны математи- чески без раскрытия физической сущности этих ивлений. Примером такого фено- менологического рассмотрения явлений теплообмена может служить формальная математическая теория теплопровадности, сазданиан Фурье и развитая Пуас- соном.
Позже удалось глубже выявить физическую сущность процесса тепло- обмена. Одновременно с зтнм была разработана общая методология исследования, обработки и обобщения опытных данных, основанная на теории подобия. Идеи, определившие общие принципы построения исследовательсхой работы, были сформулированы советскими учеными к !930 г. Прн ях изложении подчер- кивалось, что в противоположность старым, феноменологическим, методам иссле- дований, основанным на изучении тепловых машин н аппаратов в целом, в новых работах по теплообмену необходимо ие только аналитически, но и эксперимен- тально детально исследовать физические явления, из которых складываются рабочие процессы изучаемых машин и аппаратов.
Конец двадцатых и начало тридцатых годов являются периодом широного развития учения о теплообмене. Важное значение имели работы чл.-норр. АН СССР А. А. Радцига, который правильно оценил значение теплосбмена в технике. В 20-е годы развитие учения о теплообмене в СССР возглавил академик М.
В. Кирпнчев, школа ноторого заложила основы теории подобия и ее прило- жения к вопросам теплопередачи. Советскимн учеными были разработаны ори- гинальные и эффективные способы расчета процесса теплапроводности с помощью теории регулярного режима и метода элементарных балансов; были предложены расчет конвективного теплосбмена по методу теплового пограничного слоя, рас.
четы теплопередачи при кипении жидкостей и конденсации паров, расчеты раз. личных случаев теплопередачи и, в частности, теплоотдачи перегретого пара при высоких давлениях, расчеты взаимной облученности тел в задэчах радиацион- ного теплообмена. Были разработаны также оригинальные методы зксперимен. тальиого изучения процессов теплоотдачи н теплопроводности различных жид- костей, газов и водяного пара, определены их хоэффнциенты теплопроводностн при высоких давлениях и температурах, составлены таблицы водяного пара и других рабочих веществ и разрабатаны нормы теплового расчета паровых кот. лов.
Были разработаны также вопросы иестационарной теплоправодности, исследованы явления теплопередачи в двигателях внутреннего сгорания и теп- лообмена при изменении агрегатного состояния теплоносителя. Большое значение в технике приобрели процессы теплообмена в движу. шихся средах. Как известно, течение любой жидкости или гаээ может быть раз- делено на принпипиальио различные области ламннарного и турбулентного течения. Теплообмеи при ламинарном н турбулентном течениях имеет различный характер. Теплообмен в движущейся среде (жидкость илн газ) представляет собой коивехтивный теплообмен, или, короче, коивекпию.
При этом перенос тепла осуществляется путем перемещения объемов жидкости или газа, а следо- вательно, этот вид теплообмеиа неразрывно связан с переносом самой среды. Обычно при технических расчетах теплообмен между потоком жидкости, газа и поверхностью твердого тела называют коивехтявиой теплоотдачей. Различают свободную (гравитапхоиную) и вынужденную конвекцин. Свободная, или гравитациояивя, коивеипия осуществляется в потоке жидко- сти нли газа в поле массовых сил при наличии разности плотностей; выиужденнгл коивекпия — в потоке жндкостк нли газа, создаваемом виешнями воздействиями (насос, вентилятор, статическая разность давлений н др.), й В промышленности наибольшее значение имеет вынужденная хонвекция пря турбулентном течении, хотя в приложении к задачам авиации и космонавтики важны оба вида конвективного теплообмена и при ламинарном, и турбулентном течениях.
Скорости потока, возникавшие при свободной конвекции, сравнительно малы, так что при наличии вынужденной конвекции она и определяет картину течения и теплообмена. Теплоотдача при вынужденной конвекцни в турбулентном потоке зависит от распределения осредненной скорости и пульсаций скорости. Однако эти воп. росы исследованы еще далеко не полно.
До начала развития учения о турбулентных течениях жидкостей и газов, т. е, примерно до !925 г., исследования теплообмена при турбулентном течении основывались на предположении, сделанном О. Рейнольдсом, о том, что тепло- обмен и перенос количества движения осуществляются одним и тем же механизмом. Отсюда О. Рейнольдс пришел к выводу, что теплообчен пропорционален поверхностному трению. В дальнеишем математический анализ осредненных уравнений движения и теплообмена а турбулентном потоке показал, что этн уравнения оказываются незамкнутыми, так как в них появляются члены, содержащие неизвестные величины пульсаций скорости и температуры.
До сих пор не удалось построить теорию, позволяющую вычислить эти величины, не прибегая к эксперименту. Поэтому широное распространение получили тан называемые полуэмпирнческне теории турбулентности, в основу которых положено представление о том илн ином виде связи между переносимой турбулентными потоками величиной (количеством движения, количеством теплоты и т. п.) и осредненными параметрами потока.
Основы цолуэмцирической теории теплообмена в турбулентном потоке были заложены Л. Прандтлем и Б. Тейлором. В трудах академика Л. С. Лейбензона была разработана гидродннамическая теория теплообмена, получившая практическое применение при исследовании теплообмена в трубопроводах. Совремекные научно-технические проблемы теплообмена в потоках жидкости, газа н плазмы настоятельно требуют знания законов турбулентного дви. ження для определения кан интегральных, так и локальных характеристик. Теория теплообмена имеет непосредственную связь с одной из крупнейших научных проблем современности — созданием теории турбулентности.
Характеристики
Тип файла DJVU
Этот формат был создан для хранения отсканированных страниц книг в большом количестве. DJVU отлично справился с поставленной задачей, но увеличение места на всех устройствах позволили использовать вместо этого формата всё тот же PDF, хоть PDF занимает заметно больше места.
Даже здесь на студизбе мы конвертируем все файлы DJVU в PDF, чтобы Вам не пришлось думать о том, какой программой открыть ту или иную книгу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
