лекции энергетические установки. Лекции Энергетические установки. Конспект лекций по дисциплине энергетичесские установки подъемнотранспортных, строительных, дорожных средств и оборудования

• Название: Конспект лекций по дисциплине энергетичесские установки подъемнотранспортных, строительных, дорожных средств и оборудования
• Анкор: лекции энергетические установки
• Дата: 30.01.2020
• Размер: 1.23 Mb.
• Имя файла: Лекции Энергетические установки.docx
• Тип: Конспект; #106404
• страница: 2 из 2

Введение

Основы теплообмена – наука, изучающая процессы распространения теплоты в пространстве и передача ее от одних тел другим. Перенос теплоты от одного тела другому или теплообмен между частями одного и того же тела происходит только при наличии разности температур.

В процессе теплового воздействия одного тела на другое теплота в соответствии со вторым законом термодинамики самопроизвольно переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. При отсутствии разности температур процесс теплопередачи прекращается и наступает тепловое равновесие тел.

Зная закономерности передачи теплоты, можно рассчитать теплообменный аппарат того или иного назначения (котел, маслоохладитель, топливоподогреватель, воздухоохладитель и т.д.), определить тепловые потери в ДВС, ГТД и др. двигателях, выполнить тепловой расчет и решить ряд других задач, встречающихся в практике.

Теория теплообмена находит широкое применение в самых различных отраслях техники (машиностроение, приборостроение, холодильная техника, металлургия и т.д.). Трудно найти отрасли техники, где не использовались бы знания из области теории и практики теплообмена.

ПРОЦЕССЫ ТЕПЛООБМЕНА

В природе различают:

три способа распространения теплоты:

- теплопроводность,

- конвекцию,

- тепловое излучение (радиацию).

два вида теплообмена между телами:

- конвективный;

- лучистый.

Процесс распространения теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном соприкосновении тел или частиц тел с различной температурой.

Механизм распространения теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела:

- в газообразных телах перенос теплоты теплопроводностью происходит в результате соударения молекул между собой;

- в металлах – путем диффузии свободных электронов;

- в капельных жидкостях и твердых телах-диэлектриках – путем упругих волн (упругие колебания кристаллической решетки).

Конвекцией называется процесс распространения теплоты путем перемещения жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция в отличие от распространения теплоты теплопроводностью может происходить только в жидкостях и газах и обуславливается перемещением самой среды.

Одновременное распространение теплоты конвекцией и теплопроводностью носит название конвективного теплообмена.

Конвекция бывает:

- естественная (свободная);

- искусственная (вынужденная).

Причиной перемещения жидкости или газа из одной части в другую может быть различие плотностей отдельных частей жидкости или газа из-за их неравномерного нагрева.

Тепловое излучение (радиация) – это излучение, возникающее в результате возбуждения частиц вещества (атомов, молекул, ионов и пр.) и распространяющееся в пространстве электромагнитными волнами. Скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве (вакууме) составляет 300000 км/с.

В реальных условиях весьма редко какой-либо из указанных способов распространения теплоты и видов теплообмена встречается изолировано.

Так, например, в рабочем цилиндре ДВС теплота передается от продуктов сгорания топлива к стенкам камеры сгорания благодаря конвективному и лучистому теплообмену. Через стенки гильзы, крышки и поршня теплота передается теплопроводностью, а затем происходит процесс теплообмена внутренними стенками этих же деталей и охлаждающей жидкостью или маслом. Совокупность этих видов теплообмена называется сложным теплообменом.

В различных машинах и аппаратах передача теплоты от одной жидкости к другой осуществляется через разделяющую их твердую стенку. Такой процесс передачи теплоты называется теплопередачей.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Все задачи теплопроводности описываются с помощью дифференциального уравнения теплопроводности



где - временное () распределение температуры t, ^оС;

- пространственное распределение температуры (в декартовой системе координат x, y, z);

a – температуропроводность, является теплофизическим свойством среды, в которой происходит распространение теплоты путем теплопроводности:

;

с,  - теплоемкость и плотность вещества (среды);

 - теплопроводность, важнейший теплофизический параметр вещества.

Теплопроводность представляет собой количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице.

Теплопроводностьзависит:

- для твердых тел от температуры;

- для жидких и газообразных от температуры и давления.

Для металлов (кроме алюминия) теплопроводность с увеличением температуры несколько убывает, что означает, что холодный металл проводит теплоту лучше, чем нагретый. Теплопроводность металлов составляет 2,3-420 Вт/(м К).

Для изоляционных и огнеупорных материалов  при повышении температуры возрастает (связано с пористостью тела).

Так, например, для сухого кирпича =0,35 Вт/(м К), для воды =0,58 Вт/(м К), а для влажного кирпича =1,05 Вт/(м К).

Теплопроводность теплоизоляционных материалов составляет 0,02-3 Вт/(м К).

Для газов с увеличением температуры теплопроводность также возрастает, но от давления практически не зависит, кроме очень низких (менее 2,5 кПа) и очень высоких (более 200 МПа) давлений. Теплопроводность газов колеблется от 0,006 до 0,6 Вт/(м К).

Для большинства капельных жидкостей теплопроводность находится в пределах 0,09-0,7 Вт/(м К) и с повышением температуры уменьшается. Вода является исключением: с ростом температуры от 0 до 150^оС теплопроводность возрастает, а при дальнейшем увеличении температуры уменьшается.

Для объяснения результатов решения дифференциального уравнения и возможности их использовать в практической работе, введены понятия теплового потокаФ и поверхностной плотности теплового потока q.

Отношение количества теплоты, проходящей через заданную поверхность, ко времени называется тепловым потоком. Тепловой поток обозначают Ф и выражают в ваттах (Вт).

Отношение теплового потока к площади поверхности А называют поверхностной плотностью теплового потока, обозначают буквой q и выражают в ваттах на квадратный метр (Вт/м²):

.

Для плоской однородной неограниченной стенки (рис. 2.1а):





где  - толщина стенки;

- температуры на границах стенки и окружающей среды (поверхностей стенки).



Плоские стенки: а - однослойная; б - многослойная

Для трехслойной неограниченной стенки (рис. 2.1б):

; (2.4)



Обобщая формулу 2.5 для n-слойной стенки, получим



Для определения промежуточных температур t_СТ2, t_СТ3 по плоскостям разделов слоев можно использовать формулы:





Наконец, обобщая вывод на n-слойную стенку, получим формулу для температуры на границе i-го и (i+1)-го слоя:

. (2.9)

КОНВЕКЦИЯ. ТЕОРИЯ ПОДОБИЯ

При турбулентном режиме, естественно, следует вести речь о среднемассовой скорости w_ж. Картина образования и развития пограничного слоя и здесь в целом аналогична предыдущей (см. рис. 2.36). Под влиянием сил трения турбулентные пульсации в непосредственной близости от стенки сглаживаются, и слои жидкости, протекающие близко от стенки движутся ламинарно, образуя тонкий ламинарный подслой. При этом основная часть потока остается турбулентной. Граница между ламинарной и турбулентной частями нечеткая, размытая отдельными пульсациями, проникающими в ламинарный подслой случайным образом и на разную глубину. Обратим внимание, что основное изменение скорости происходит именно в ламинарном подслое, в турбулентной же части из-за активного перемешивания скорость изменяется гораздо меньше.

Если натекание сопровождается поперечным теплообменом (жидкость и стенка имеют различные температуры), то это несколько изменяет гидродинамическую картину. В слоях, близких к стенке, и в слоях, удаленных от нее, температуры (а значат и вязкости) жидкости будут различными. Это приведет к деформации профиля скорости, изменениям толщины гидродинамического пограничного слоя и длины участка стабилизации. На рис. 2.37 показаны эпюры скорости для двух случаев неизотермического течения: когда жидкость горячее стенки (кривая 1) и когда жидкость холоднее стенки (кривая 2). Из рисунка понятно, что изменение направления теплообмена существенно меняет толщину пограничного

слоя, и при нагревании жидкости, например, толщина слоя гораздо меньше, чем при охлаждении (δ2 <δ1).

Аналогично гидродинамическому слою при наличии теплообмена вблизи стенки возникает тепловой пограничный слой, показанный на рис. 2.38. Жидкие комки, соприкасающиеся со стенкой, принимают температуру стенки (пусть tж>tс). Слой, протекающий непосредственно над неподвижным слоем будет заметно охлаждаться, поскольку здесь наибольший температурный градиент. Протекающие выше

слои также охлаждаются, но со все меньшей интенсивностью. При этом влияние теплообмена с увеличением х все глубже проникает в поток, но температура жидкости от этого изменяется все меньше и

меньше. Слой, внутри которого температура жидкости изменяется от tс до 0,99tж, называют тепловым пограничным слоем. Такой слой с ростом х сначала растет, а затем стабилизируется. Вне теплового пограничного слоя температура жидкости практически одинакова, и можно считать, что там поперечного теплообмена нет.

Сопоставление гидродинамического и теплового пограничных слоев приводит к заключению, что между ними существует однозначное соответствие – они геометрически подобны.

Знакомство с физическими особенностями рассмотренных процессов убеждают, что для аналитического решения задачи поперечного теплообмена при движении теплоносителя вблизи стенки необходимо иметь математическое описание связей между параметрами в пределах пограничного слоя.

Под конвекцией, понимают распространение теплоты в среде с неоднородным распределением температуры, осуществляемое макроскопическими элементами жидкости при ее перемещении. Такое распространение теплоты может происходить только в жидкостях и газах.

Конвективный теплообмен между движущейся жидкостью и поверхностью ее раздела с другой средой (твердым телом, жидкостью, газом) называется теплоотдачей.

Конвективный теплообмен зависит от распределения температур впотоке. В свою очередь характер температурного поля определяется распределениемскоростей в потоке, т.е. скоростным полем, зависящим от режима течения жидкости.

При перемещении жидкости возможны два основных режима течения: ламинарный и турбулентный.

Поток жидкости, омывающий твердое тело, может быть разбит на две области: пограничный слой 1 и внешний поток II (рис. 3.1).



Рис 3.1. Схема развития пограничного слоя: 1 – ламинарный гидродинамический пограничный слой; 2 – переходной течение; 3 – турбулентный пограничный слой; 4 – эпюры скоростей

Наряду с гидродинамическим пограничным слоемв потоке может образовываться тепловой пограничный слой.. Это слой жидкости или газа, непосредственно участвующий в теплоотдаче, благодаря чему температура в слое меняется от температуры, близкой к температуре стенки, до температуры, близкой к температуре среды во внешнем потоке.

Толщина теплового пограничного слоя



где х – расстояние от передней кромки; Re – число Рейнольдса.

Если температуры поверхности обтекаемого тела и внешнего потока неодинаковы, то на начальном участке поверхности образуется тепловой пограничный слой, толщина которого _т по длине обтекаемого тела также увеличивается. В общем случае толщины гидродинамического и теплового пограничных слоев различны и их соотношение определяется из выражения:



где  - кинематическая вязкость жидкости;

а – температуропроводность жидкости.

Турбулентный пограничный слой состоит из внешней области А и пристенной области Б. Толщина внешней области составляет примерно 0,8 _тур, а толщинапристенной области - 0,2 _тур.



Структура турбулентного гидродинамического пограничного слоя (масштабы смещены)

Одновременно с турбулентным гидродинамическим пограничным слоем развивается тепловой пограничный слой, при этом толщины теплового и гидродинамического пограничных слоев вследствие интенсивного турбулентного переноса количества движения и теплоты практически совпадают.

Формирование пограничного слоя оказывают влияниеформа входной кромки, степень турбулентности набегающего потока, и также форма и размеры всего тела.

При проектировании каналов и устройств важно правильно оценивать гидродинамическую обстановку, потому что, как это было показано выше, интенсивность теплоотдачи во многом зависит от структуры и толщины пограничного слоя. Поверхностная плотность теплового потока в случае ламинарного пограничного слой может быть определена по формуле

,

где - теплопроводность жидкости и градиент температуры в тепловом пограничном слое.

Однако вбольшинстве случаев не представляется возможным аналитически определить градиент температуры впограничном слое, а, следовательно, найти по приведенной формуле поверхностную плотность теплового потока. Для турбулентного пограничного слоя эта формула вообще не применима. В связи с этим пока основным расчетным уравнением конвективного теплообмена является формула

,

где  - коэффициент теплоотдачи; А - площадь поверхности теплообмена; t - температура теплоносителя, т.е. жидкости или газа, омывающего тело; - температура поверхности тела.

Разность температур жидкости и тела называют часто температурным напором.

Коэффициент теплоотдачи , входящийв уравнение характеризует интенсивность теплоотдачи и равен отношению поверхностной плотности теплового потока на поверхности раздела к температурному напору между жидкостью и поверхностью.

,

где Ф - форма тела; l - геометрические размеры тела; Х - характер движения жидкости.

В каждом конкретном случае коэффициент теплоотдачи рассчитывают с помощью так называемых уравнений подобия, которые получают или по результатам физических экспериментов, или по результатам математического моделирования данного процесса.

Система дифференциальных уравнений дополняется условиями однозначности.

Условия однозначности должны содержать все специфические особенности, относящиеся к рассматриваемому случаю и влияющие на ход процесса:

геометрические условия, характеризующие форму и размеры поверхности, омываемой средой (например, круглая труба определенного диаметра);

временные условия, которыми формулируются точно известные особенности протекания процесса во времени (для стационарного режима временные условия отпадают);

граничные условия, которыми формулируются условия протекания процесса на границах тела;

физические условия, характеризующие те физические свойства среды и тела, которые входят вдифференциальные уравнения, описывающие процесс конвективного теплообмена, например теплопроводность , динамическая вязкость , плотность .

Полученная система дифференциальных уравнений интегрируется после введения ряда допущений. Результаты решения часто бывают, не точны.

Эта задача эффективней решается с использованием теории подобия.

Теория подобия позволяет, не интегрируя выведенные дифференциальные уравнения, сделать на их основе ряд важных выводов, необходимых для научной обработки результатов экспериментальных исследований.

Теория это теорией эксперимента. Основы теории подобия базируются на трех теоремах, которые и дают ответ на поставленные вопросы.

Константы подобия не могут выбираться произвольно. Если явления подобны, то между константами подобия имеются определенные зависимости, ограничивающие произвольность выбора.

Необходимой предпосылкой для вывода критериев подобий является наличие аналитической зависимости между физическими величинами.

Наиболее часто в качестве критериев гидромеханического подобия используются числа Фруда, Эйлера и Рейнольдса.

3.Содержание и методика проведения лабораторных занятий по дисциплине

Цель проведения работ: Целью лабораторного практикума является закрепление студентами материала лекционного курса, развитие навыков самостоятельной работы с приборами при проведении теплотехнических экспериментов, обучение методам определения теплофизических свойств рабочего тела и проведению расчетов, а также умению делать выводы на основании полученных результатов.