Глава I. Введение в курс теплопередачи (1013630), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В области теплообмена наметился также определенный пересмотр взглядов на явления теплообмена и методы их изучения. Так, наряду со среднеинтегральиымн характеристиками (средними по времени и пространству) наметилось использование мгновенных локальных значений температур, коэффициентов теплоатдачи и трения. Появились теоретяческие обобщения перехода от средне- интегральных соотношений к отдельным локальным переменным характеристикам теплообмена. Значительное развитие теории теплообмена, вопросов тепло. и массообмена достигнуто благодаря трудам советских ученых.
Большое влияние иа это разви. тне оказали труды Д. В. Лыкова н его школы. С помощью их работ получилн значительное развитие самые различные вопросы теории теплообмена (теплопроводность, теплообмен ори нестационариых режимах, конвектнвный теплообмен и др.). Широкое признание получили рабаты по теории теплообмеиа С. С. Кута. теладзе. Им развита теории подобия в процессах теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества и сформулированы основные иден гидродннамн.
ческий теории кризисов кипеник. В работах ряда советских ученых были широко развиты физические основы теплообмева в газовых потоках. Различные виды теплообмена имеют неодннако. вую физическую сущность. Кроме того, эти процессы представляют собой слож. ные физические явления. Все это заставляет исследователей в области теплообмена обращаться к непосредственным экспериментам. Фундаментальные рабаты по исследованию процессов тепло- н массообмена применительно к задачам авиационной и ракетно. космической техники про.
ведены академиком В. С. Авдуевским и его школой. Им разработаны новые вопросы тепло- и массообмена применительно к высокоскоростным газовым пото- 9 кам. Лака разработка теории пространственного пограничного слоя и трехмерных отрывных течений, разработаны методы расчета газодинамики и тепло- обмена при обтекании алвара~он сложной формы под большими углами атаки в условиях взаимодействия трехмерного пограничного слоя с ударной волной. В. С.
Аадуевским создана теория тепломзссопереноса при течении сверхзвуковых изобарных и нензобарных струй применительно к реактивным двигателям. Фундаментальные исследования процегсон тепло. и массообмена в разреженных газах выполнены академиком Ю. А. Рыжовыль Им создано ноьое направление в термодинамике и теплопередаче по изучению взаимодействия пото.
ков разреженных части~! различных энергий с конструкциопными материалами. Это направление работ Ю. А Рыжова по существу заложило основы термодинамики плазмохимии. Ряд важных прикладных вопросов теплопередачн при. меннтельно к авиационной и ракетно.космической технике решен в работах членов-корреспондентов АН СССР И. А. Анфнмова, А. П. Ваицчеаа, В. АЕ Иевлева. Современное развитие молекулярно-кнветической теории также спос ~бствовало развитию ряда разделов учения о теплообмеие (переносные сиса!ства газов и газовых смесей при высоких температурах, разрежеяные газы и др.1. Большие задачи в области теории и практики теплообмена лежат в направлении создания компактных теплообмеиников различного назначения, вачиная от стацнонаршях установок и кончая теплообменниками на к~юмических .тетательных аппаратах.
Лля решения этой важной проблемы требуется примеиенве всего совреченвого аппарата теории теплопереда ш, дальнейшая разработка методов интепсяфикзции процессов теплаобчена в ннх и получение надежных данных, абеспе по вающих быстрое проектирование теплообменннков методами автоматизнрованяога проектирования. Таким образом, курс теплопередачи является одной из важнейших теплотехнических дисциплин, необходимых для современного инженера в области авиационной, ракетной и космической техники.
1.2, ВИДЫ ТЕПЛООБйзЕНА В общем случае под понятием теплопередачи или тепло- обмена понимается учение о процессах распространения тепла в пространстве и времени. Понятие теплопередачи (теплообмена) охватывает весь комплекс явлений переноса ~сила мегкду теламп или между из~~ими одного и того же тела, обусловленных разностью температур. В общем случае перенос тепла представляет собой сложное явление, связа«ное с различным«ф«зическимн процессаци. Различают три основных вида теплообмена: 1) теплоп роводност!н 2) конвективный теплообмен; 3) лучистый теплообмен.
Теплопроводность предо~валяет собой передачу тепла между непосредственно соприкасающимися частями тела. Теплопроводность не связана с макродвиженнем тел или частей тела и осу. ществляется путем передачи энергии от одних элементарных частиц тела к другим вследствие микродвижения этих элементарных частиц. Для газов, например, такими частицами являются молекулы.
Молекулы газа в той его части, которая имеет более высокую температуру, обладают большей средней кинетической энергией. При столкновениях молекул газа происходит обмен кинетиче!о ской энергией, в результате чего тепло передается от более нагретых частей тела к более холодным. В чистом виде явление теплопроводности наблюдается в твердых телах, в абсолютно неподвижных газах и жидкостях при условии невозможно- Гг!Р~ ~~ / гг!узх сти возникновения в них конвективных токов. В газах и жидкостях явление теплопроводности обычно сопровождается рядом других физических явлений, например макродвижением массы газа Рис.
1.1. Схема яр~.иесса сьоили диффузией и связанным с этим бод,юй конэекцик переносом тепла. Изучение явления теплопроводности в металлах показывает, что в них механизм переноса тепла аналогичен механизму электропроводности. Согласно современным воззрениям электропроводность металлов связана с наличием в них свободных электронов, а, следовательно, в металлах процесс теплопроводности также связан с движением электронов, которые играют роль передатчиков тепла.
В простейшей теории теплопроводности металлов принимается, что свободные электроны в металлах ведут себя подобно молекулам газа, т. е. перемещаются между атомами твердого тела и осуществляют перенос энергии, а следовательно, передачу тепла теплопроводностью. Конвективным зеплообменоз! называют процесс переноса тепла в жидкой или газообразной среде с неоднородным распределением температуры и скорости, осуществляемый макроскопическими частями среды при их перемещении, Конвективный теплообмен всегда сопровождается теплопроводностью.
В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости или газа, различают: а) конвективный теплообмен при свободном движении среды !свободная, или гравитационная, копвекция); б) конвектнвный теплообмен при вынужденном движении среды (вынужденная конвекция). Свободнад конвекция имеет место тогда, когда движение жидкости или газа осуществляется в поле массовых сил прн наличии разности плотностей среды в рассматриваемом объеме, что, в свою очередь, может быть обусловлено неоднородностью температурного поля этого обьема. Например, если нагревать сосуд с жидкостью !рис. 1.1), то частицы жидкости, имеющие более высокую температуру (Т, ) Т,), вследствие уменьшения их плотности (р, ( р,) будут всплывать, т. е. вытесняться более холодными слоями, и переносить с собой теплоту; в сосуде возникнут конвективные токи.
Очевидно интенсивность переноса тепла при прочих равных условиях будет зависеть от коэффи- 1! циента объемного расширения, плотности и вязкости среды. Вынужденная конвекция имеет место тогда, когда движение жидкости или газа вызвано внешними причинами (насосом, компрессором, вентилятором, движением летательного аппарата в воздухе и др.). В одной и той же среде теплообмен при вынужденной конвекции протекает значительно интенсивнее, чем при свободной конвекции, и поэтому Рис.
И2. Схема процесса теплов технике при решении вопросов. связанных с необходимостью передачи больших количеств тепла, используется вынужденная конвекция. Лучистым теплообменом называется перенос тепла излучением, обусловленный способностью нагретого тела превращать часть принадлежащей ему внутренней энергии в лучистую или в энергию электромагнитных колебаний, испускаемых нагретым телом. Встречая на своем пути другое тело (вещество), тепловые лучи частично поглощаются, и их энергия снова превращается в теплоту, а частично отражаются и проходят сквозь тело. Тепловое излучение подчиняется основным законам распространения света, т.
е. законам отражения, преломления и поглощения. В чистом виде лучистый теплообмен имеет место лишь в условиях глубокого вакуума, например между поверхностью летательного аппарата, совершающего полет в дальнем космосе, и окружающими его пространством и телами. Чаще же мы имеем дело со всеми тремя видамн теплообмена одновременно, т. е. на практике обычно имеет место сложный теплообмен. Однако комплексное математическое изучение закономерностей, управляютцих сложным теплообменом, затруднено, поэтому часто предварительно изучают каждый вид теплообмена в отдельности, а затем переходят к расчету сложного теплообмена (рис.
!.2). При решении конкретных практических задач количество тепла, переданное теплопроводностью, излучением и конвекцией, может быть весьма различным, поэтому в расчетах часто пренебрегают видами теплообмена, роль которых в рассматриваемом случае несущественна, и весь процесс сводят к основному определяющему виду теплообмена, Для удобства технических расчетов введено понятие о двух видах теплообмена, которые называют теплоотдачей и тепло- передачей. Теплоотдачей называется процесс теплообмена, возникающий между твердым телом и омывающей его жидкой или газообразной средой. Теплопередачей называется процесс тепло- обмена, возникающий между жидкимн или газообразными сре- 12' дами, разделенными твердой стенкой. Этим же термином иногда пользуются и в качестве обобщающего наряду с термином етеплообмен».
ЕЗ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Процессы теплопередачи возникают между телами, если температура их различна. Тело или среда, имеющие более высокую температуру Т„называются теплоотдающими. Соответственно тело или среда с температурой Т, ( Т, называются тепловоспринимающими, Разность температур с»Т =- Т, — Т, ) О, вследствие которой возникает процесс теплообмена, называется температурным напором. Количество тепла, проходящее через данную контрольную поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком (ф. Тепловой поток, приходящийся на единицу площади поверхности, называется плотностью теплового потока или удельным тепловым потоком (д).
Всякое физическое явление протекает в пространстве и во времени. Поэтому изучение физического явления может быть сведено к изучению пространственно-временных изменений величин, его характеризующих. Математическая физика вводит понятие поля физической величины, под которым понимается совокупность мгновенных значений этой величины во всех точках рассматриваемой области. Так, например, совокупность значений температур во всех точках какого-либо тела в данный момент времени т называется температурным полем этого тела. Температурное поле (рис. 1.3) в декартовой системе координат задается уравнением вида Т =- ( (х, у, г, т), (!.1) где Т вЂ” температура, зависящая от пространственных коор-.-- динат данной точки х, у, а и времени е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
