ТЕПЛОТЕХНИКА Введение

Теплотехника – общетехническая (фундаментальная) дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, принцип действия и конструктивные особенности, производство и эксплуатацию теплового оборудования.

Направления использования теплоты Энергетическое – использование теплоты для преобразования ее в механическую (энергию) работу; Технологическое – использование теплоты с целью изменения свойств различных материалов.

Разделы теплотехники Термодинамика изучает законы теплового равновесия и превращения теплоты в другие виды энергии и обратно. Теория теплообмена изучает законы распространения и передачи теплоты между телами.

Теория теплообмена Способы передачи тепла. Закономерности переноса теплоты и количественные характеристики процесса. Плотность теплового потока.

Основные понятия и определения Теплота самопроизвольно передается от среды с более высокой температурой к среде с более низкой температурой; Тепловые - процессы скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты; Движущая сила – разность температур t; Количество переданной теплоты Q, Дж, к Дж;

Основные понятия и определения Теплообменная поверхность – F, м 2; Плотность теплового потока - количество теплоты, передаваемой через единицу поверхности в единицу времени: q=Q/F, Вт/м 2; Процесс передачи теплоты – установившийся и неустановившийся:

Температурное поле Температурное поле – совокупность мгновенных значений температур всех точек тела в данный момент времени: где x; y; z – координаты произвольной точки тела; τ - текущее время. Температурное поле может быть установившемся и неустановившемся; одно-, двух- и трехмерным.

Градиент температуры Градиент температуры - это вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры. Численно градиент температуры равен производной от температуры по нормали к поверхности:

Теплофизические свойства рабочих тел Теплоемкость с - количество теплоты, необходимой для изменения на 1 градус единичной массы рабочего тела (вещества). В основном при изучении теплопереноса используют теплоемкость при постоянном давлении с р. Величина с зависит от температуры, хотя и не всегда существенно. Дж/(кгК), к Дж/(кгК). Удельной теплотой конденсации r (или обратных процессов испарения, парообразования) называют количество теплоты, выделяющейся при конденсации (необходимой для испарения) единичной массы вещества. Измеряется r в Дж/кг (в таблицах приводится в к Дж/кг). Конденсация или кипение индивидуальных веществ происходит при неизменной температуре t кип = const.

Энтальпия ("физическое тепло", которое "несет с собой тело, поток), Н, h,J, i Дж/кг, к Дж/кг. Энтальпию принято отсчитывать от некой температуры t 0, при которой принимается Н, h, i = 0. (t 0= 0 ºС) ; в холодильных процессах, дабы не оперировать отрицательными энтальпиями, точку отсчета выбирают ниже (например, -100 °С). В практических расчетах в подавляющем большинстве случаев оперируют разностями энтальпий, поэтому точка отсчета энтальпий и их абсолютные значения роли не играют.

Способы (механизмы) передачи теплоты Теплопроводность – перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их «теплового» движения. Носители энергии – микрочастицы, совершающие колебательное движение, процесс протекает на молекулярном уровне; Конвекция – перемещение в пространстве неравномерно нагретых объемов среды, перенос тепла связан с переносом массы; Тепловое излучение – перенос тепла от одного тела к другому электромагнитными волнами.

Теплообменные процессы Теплопроводность; Лучистый теплообмен; Теплоотдача; Теплопередача

Теплопроводность Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Условия однозначности. Теплопроводность однослойной и многослойной плоской и цилиндрической стенок. Теплоизоляционные материалы, применяемые в промышленности.

Теплопроводность Распространение тепла теплопроводностью выражается законом Фурье, согласно которому количество тепла, возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных частях тела, прямо пропорционально градиенту температуры, времени проведения процесса и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока.

Закон Фурье dQ= - · dF· gradt·dτ, где dQ – количество тепла, Дж; - коэффициент пропорциональности, коэффициент теплопроводности, ; grad t – градиент температуры, К/м; dτ – время, с; dF – поверхность теплообмена, перпендикулярная тепловому потоку, м 2.

Коэффициент теплопроводности Коэффициент теплопроводности является одной из физических характеристик и указывает на способность данного тела проводить тепло. Количественно коэффициент теплопроводности равен количеству тепла, проходящего в единицу времени через единицу изотермической поверхности F в стационарном температурном поле, при единичном градиенте температур,:

Коэффициент теплопроводности зависит от природы и агрегатного состояния вещества, от температуры и давления. Для газов возрастает с повышением температуры и мало зависит от давления; Для жидкости – уменьшается с увеличением температуры; Для твердых тел – увеличивается с повышением температуры.

Дифференциальное уравнение теплопроводности Уравнение выводится на основе закона сохранения энергии, считая, что тело однородно и изотропно (одинаковость физических свойств). Физические параметры,λ, с – постоянны. Согласно закону сохранения энергии вся теплота внесенная из вне в элементарный объем путем теплопроводности за время dτ идет на изменение внутренней энергии вещества в этом объеме:

где а – коэффициент температуропроводности, физический параметр вещества, м 2/с; Уравнение гласит – изменение температуры во времени для любой точки тела пропорционально величине а.

Условия однозначности Геометрические – характеризуют форму и размеры тела в котором протекает процесс; Физические – характеризуют физические свойства тела; Временные – характеризуют распределение температуры в начальный момент времени; Граничные – характеризуют взаимодействие тела с окружающей средой

Теплопроводность через плоскую стенку Толщина стенки ; Температура на наружных поверхностях :t 1> t 2 ; λ=const; Режим стационарный

Уравнение теплопроводности для однослойной плоской стенки для стационарного процесса: Уравнение теплопроводности для многослойной плоской стенки : dQ= - · dF· gradt·dτ

Распределение температур по толщине цилиндрического слоя Закон теплопроводности для цилиндрического слоя

Для стационарного режима Уравнение теплопроводности цилиндрической однослойной стенки : Уравнение теплопроводности многослойной цилиндрической стенки:

Лучистый теплообмен Физические основы

Лучистый теплообмен Процесс распространения тепла в виде электромагнитных волн. Все тела обладают способностью излучать энергию, поглощать энергию и превращать ее в тепловую. Тепловое излучение имеет одинаковую природу со световым.

В однородном пространстве распространяется прямолинейно; Попадая на тело частично поглощается, частично отражается, частично проходит сквозь тело без изменений: Q л =Q погл +Q отр +Q пр

Характеристики теплового излучения Лучеиспускательная способность – количество энергии, излучаемой единицей поверхности тела в единицу времени во всем интервале длин волн: E=Q л /(F τ) Лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна абсолютной температуре его поверхности в 4-ой степени (закон Стефана Больцмана): Где K 0 - константа лучеиспускания абсолютно черного тела, с 0 - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела

Интенсивность лучистого потока Интенсивность общего лучистого потока зависит от 4-ой степени абсолютной температуры излучающего тела, его излучающей способности и степени черноты серого тела:

Закон Кирхгофа Отношение лучеиспускательной способности тел к их поглощательной способности для всех тел одинаково и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре: E 0 =E c /А

Чем выше температура излучающего тела, тем в более короткой области длин волн лежит максимум излучения. Лучистый теплообмен становится заметным по сравнению с конвективным при температуре больше 400 С

Лучеиспускательная способность газов зависит от объема, вида газа и температуры в степени 3-3,5; Газы излучают объемом; Газы излучают в определенной части спектра; Лучеиспускательная способность смеси газов ниже, чем отдельного газа.