Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Теплоотдача — широко распространенное явление. Теплообмен между горячей стенкой камеры сгорания ракетного двигателя и охлаждающей жидкостью, между турбинной лопаткой и продуктами сгорания, между горячей поверхностью радиолампы и окружающим воздухом — все это примеры теплоотдачи.
Теплообмен между стенкой и окружающей средой происходит одновременно путем соприкосновения (теплоотдачи) и излучения. Это явление называется радиационно-конвективным теплоабменом. Оно включает все три элементарных способа переноса теплоты. Явление радиациоино-конвективного теплообмена наблюдается, например, в камере сгорания ракетного двигателя, где горячие газы— продукты сгорания — передают теплоту поверхности камеры сгорания одновременно путем соприкосновения и излучения. Теплообмен между двумя жидкими или газообразными средами, разделенными твердой стенкой, или через поверхность раздела между ними называется теплопередачей. Перенос теплоты от теплоносителя к стенке и от стенки к теплоносителю может иметь характер теплоотдачи или радиационно-конвективного теплообмена.
Перенос теплоты через стенку осуществляется теплопроводностью. 24! Явление теплопередачи можно наблюдать в теплообменных аппаратах, в двигателях и т. п. Передача теплоты в масловоздушном радиаторе от охлаждаемого масла в воздух через стенку радиатора, перенос теплоты от продуктов сгорания в охлаждающую жидкость через стенку камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя— все это примеры явления теплопередачи. й 2. Краткие сведения из истории развития науки о теплообмене Наука о теплообмене возникла и развивалась под влиянием требований, выдвигаемых развитием различных отраслей тех. ники. После создания тепловых двигателей теория теплоты стала развиваться вначале как наука о превращении теплоты в механическую энергию, т.
е. в форме термодинамики. Но термодинамика выясняла только теоретические возможности рабочего процесса двигателя, тогда как совершенство реального двигателя зависит от ряда физико-химических процессов, среди которых одним из главных является теплообмен. Таким образом, теория теплообмена стала со. вершенно необходимой для правильного понимания и совершенствования рабочего процесса тепловых двигателей.
Стремление к наиболее эффективному использованию теплоты и желание увеличить надежность работы двигателя привели к появлению в силовых установках ряда дополнительных теплообменных аппаратов (регенеративные подогреватели, экономайзеры, воздушные радиаторы и т. п.). В настоящее время учение о теплообмене используется почти во всех областях инженерной деятельности. Учение о теплообмене является частью общего учения о теплоте, основы которого заложены М. В.
Ломоносовым. На основе корпускулярной теории строения вещества М. В. Ломоносов дал правильное представление о механизме процесса передачи теплоты. В работе «Размышления о причине теплоты и холода» (1750) Ломоносов так поясняет явление теплопроводности: «Если более теплое тело А находится в соприкосновении с другим телом В, менее теплым, то находящиеся в точках соприкосновения частицы тела А, вращаясь быстрее, чем соседние с ними частицы тела В, более быстрым вращением ускоряют вращательное движение частиц тела В, т. е. передают им часть своего движения...м В этом определении отражена сущность явления теплопроводности как способа передачи теплоты при обмене энергией теплового движения между мельчайшими частицами вещества. Основы математической теории теплопроводности были заложены работами французского ученого Ж.
Фурье (1822). Один из основных законов радиационного теплообмена, определяющий связь излучаемой телом энергии с его температурой, был экспериментально установлен австрийским ученым И. Стефаном 242 в 1872 г. и получен из теоретических соображений немецким ученым Л. Больцмаиом в 1884 г. Теплоотдача оказалась наиболее сложным физическим явлением. А чем сложнее явление, тем труднее описать его математически и одновременно тем меньше возможность обобщения результатов отдельных экспериментов.
К концу Х1Х столетия явление теплоотдачи было описано системой дифференциальных уравнений, не разрешимых в общем виде средствами современной математики. С другой стороны, имелось много опытных данных, которые не могли быть распространены за пределы единичных опытов. Все это способствовало разработке метода обобшения результатов непосредственного опыта, который позволил бы распространить результаты единичного опыта на все процессы, подобные исследованному. Такой метод был разработан в форме теории подобия физических явлений. Оп обьединяет в себе средства математического анализа и физического эксперимента. Основные теоремы теории подобия были сформулированы членом французской академии наук Ж.
Бертраном в 1848 г., русским ученым А. Федермаиом в 191! г. и советскими учеными М. В. Кирпичевым и А. А. Гухманом в 1930 г. Одним из первых использовал теорию подобия О. Рейнольдс, который получил обобщенную формулу для оценки коэффициентов гидравлического сопротивления, пригодную для различных жидкостей. К исследованию процессов теплообмена теория годобия была впервые применена Нуссельтом в 1915 г. Теория подобия широко используется теперь для обобщения опытных данных и результатов численных расчетов по теплоотдаче. В текушем столетии большое развитие получил аналитический метод исследования теплоотдачи, основанный на теории пограничного слоя.
Основные уравнения этой теории были установлены Л. Прандтлем в 1904 г. Два первых десятилетия теория пограничного слоя использовалась только для расчета сопротивления трения, позднее она становится также средством исследования процессов теплоотдачи. Советские ученые сделали большой вклад в науку о теплозбмене. Академик М.
А. Михеев провел значительную работу по систематизации и обобщению опытных данных по теплоотдаче. Теория пограничного слоя получила развитие в работах проф. Л. Г. Лойцянского, чл.-кор. АН СССР В. С. Авдуевского, Г. Н. Кружилина, В. М. Иевлева, С. С. Кутателадзе и проф. А. И.
Леонтьева. Большие исследования проведены советскими учеными по теплоотдаче при изменеии44 агрегатного состояния вешества. Наибольшее значение среди этих работ имеют исследования чл.-кор. АН СССР Г. Н. Кружилина, проф. Д. А. Лабунцова и чл.-кор. А1-! СССР С. С. Кутателадзе. Оригинальные методы расчета нестационарной теплопроводности разработаны чл.-кор. АН СССР А. П.
Ванпчевым и проф. 'Г. М. Кондратьевым. 243 % 3 Явления теплообмеиа в авиационной и ракетной технике Явления теплообмена сопровождают многие производственные процессы. Они составляют основу или важную часть рабочих процессов многих машин и аппаратов. Качество систем охлаждения и использованные способы интенсификации теплообмена, выбор теплоизолируюших или теплопроводяших материалов и режимов тепло- обмена в значительной мере определяют совершенство различных машин и аппаратов. Многие проблемы, возникаюшие при создании летательных аппаратов и их силовых установок, решаются на основе теории теп.лообмена. При этом теоретические и экспериментальные исследования теплообмена в условиях работы летательных аппаратов и их двигателей, исследования новых способов тепловой защиты и интенсификации теплообмена обогащают теорию теплообмена, совершенствуют ее расчетный аппарат, приводят к созданию новых методов расчета и исследования.
Теплообмен между твердым телом и быстродвижущимся газовым потоком сопровождается эффектами, обусловленными процессами взаимопреобразования механической энергии и теплоты. Тор. можение высокоскоростного газового потока около стенки ведет к повышению его температуры и может сопровождаться диссоциацией и ионизацией частиц газа. Эти процессы усложняют расчетную оценку теплообмена между газовым потоком и поверхностью твердого тела.
При полете на высоте 11 — 30 км со скоростью 500 и 1000 м/сек температура обтекающего летательный аппарат воздуха составляет 70 и 430' С, в то время как атмосферный воздух на этой высоте имеет температуру — 55' С. При полете ракетного аппарата аэродинамический нагрев присбретает значительно ббльшие масштабы. Правда, на больших высотах, где воздух имеет очень малую плотность, температура воздуха не определяет температуру обшивки летательного аппарата, так как главную роль там играет теплообмен излучением. Но ниже 150 км и особенно на высоте меньше 60 км температура летательного аппарата определяется аэродинамическим нагревом. При входе в плотные слои атмосферы баллистическая ракета имеет скорость около 7 км~сек. При такой скорости движения тела температуразаторможенного воздухас учетом диссоциации составляет около 7000' С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
