Спецхуявы (копия). Спецглавы теоретических основ теплотехники Богомолов А. Р

• Название: Спецглавы теоретических основ теплотехники Богомолов А. Р
• Дата: 13.04.2023
• Размер: 4.47 Mb.
• Имя файла: Спецхуявы (копия).docx
• Тип: Документы; #1059122

Спецглавы теоретических основ теплотехники Богомолов А.Р.

1. Теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность тел.

Т еплоёмкость -  количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус; точнее — отношение количества теплоты, поглощаемой телом при бесконечно малом изменении его температуры, к этому изменению Т. единицы массы вещества (г, кг) называется удельной теплоёмкостью, 1 моля вещества — мольной (молярной) Т.
Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло.

Температуропрово́дность (коэффицие́нт температуропрово́дности) — физическая величина, характеризующая скорость изменения температуры вещества в неравновесных тепловых процессах. Численно равна отношению теплопроводности к удельной теплоёмкости при постоянном давлении.

2. Смеси идеальных газов

Смесь идеальных газов — это идеальный газ, каждый из компонентов которого равномерно распределен по всему объему, занимаемому газом.

Смесь идеальных газов подчиняется уравнению Менделеева — Клапейрона (уравнению состояния), которое записывается в традиционной форме:

pV = νRT,

где p — давление смеси газов; V — объем, занимаемый смесью газов; ν — количество вещества в смеси газов; R — универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль ⋅ К); T — температура смеси идеальных газов.

Давление смеси идеальных газов вычисляется при помощи закона Дальтона:

p = p ₁ + p ₂ + ... + p _n ,

где p ₁, p ₂, ..., p _n  — парциальные давления компонентов смеси, т.е. давления, которые бы оказывал каждый из компонентов смеси газов при условии, что он занимает весь объем.

Давления каждого из компонентов смеси определяются следующим образом:

• 
  давление первого компонента смеси
  

p1=ν1RTV;

• 
  давление второго компонента смеси
  

p2=ν2RTV; ...

• 
  давление n-го компонента смеси
  

pn=νnRTV,

где ν₁ — количество вещества первого компонента смеси; ν₂ — количество вещества второго компонента смеси, ...; ν _n  — количество вещества n-го компонента смеси; R — универсальная газовая постоянная, R ≈ 8,31 Дж/(моль ⋅ К); T — температура смеси; V — объем сосуда, заполненного смесью газов (объем смеси).

Средняя молярная масса смеси рассчитывается по формуле

⟨M⟩=mν,

где m — масса смеси газов; ν — количество вещества в смеси газов.

Масса смеси газов складывается из масс его компонентов:

Количество вещества в смеси газов определяется как сумма количеств вещества каждого из компонентов:

ν = ν₁ + ν₂ + ... + ν _n ,

количество вещества первого компонента смеси —

ν1=m1M1,

3. Диффузия

Диффузией называют самопроизвольный процесс, стремящийся к установлению внутри фаз равновесного распределения концентраций. В однородной по температурам и давлениям смеси процесс диффузии направлен к выравниванию концентраций в системе. При этом, происходит перенос вещества из области с большей в область с меньшей концентрацией.

Диффузия, обусловленная градиентом концентрации компонента, называется концентрационной диффузией. Аналогично теплообмену диффузия (массообмен) может происходить как молекулярным (микроскопическим), так и молярным (макроскопическим или конвективным) путем.

В газах молекулярная диффузия осуществляется за счет теплового движения молекул.

Диффузия характеризуется потоком массы компонента, т.е. количеством вещества, проходящим в единицу времени через поверхность в направлении нормали к ней. Поток массы J, кг/с. Плотностью потока массы j называют поток массы, проходящий через единицу поверхности:

3. Конвективный теплообмен

Если газ (или жидкость) вступает в контакт с поверхностью твердого тела, имеющий другую температуру, то протекающий процесс обмена тепловой энергией называется конвективным теплообменом.

Перенос теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Под конвекцией теплоты понимают перенос теплоты при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция возможна только в текучей среде, здесь перенос теплоты связан с переносом самой среды.

3. Физические свойства жидкостей и газов

Плотность-распределение массы по занимаемому объему. Удельный вес-вес в занимаемом объеме. Плотность смеси равна сумме произведений плотностей отдельных газов, взятых при давлении и температуре смеси, на их объемные или мольные доли.

Сжимаемость-свойство изменять свой объем при изменении давления. Вязкость-свойство сопротивляться сдвигу (или скольжению) слоев.



Поверхностное натяжение – свойство, обуславливающееся силами взаимного притяжения, возникающая между частицами поверхностного слоя и вызывающими напряжение состояния.

3. Закон сохранения энергии для движущийся среды

3. 8. Антоху спросим

9. Дифференциальное уравнение переноса массы.

Молекулярная диффузия в неподвижной среде протекает медленно. Наибольший практический интерес представляет перенос вещества не только за счет молекулярной диффузии, но и за счет перемещения самого элемента в пространстве. Такая диффузия называется конвективной:

10. Система уравнений для турбулентного движения жидкости

Турбулентное движение жидкости - неупорядоченное движение, при котором отдельные частицы жидкости движутся по запутанным, хаотическим траекториям, в то время как вся масса жидкости в целом перемещается в одном направлении.

Какой будет вид движения – турбулентный или ламинарный – зависит от критерия Рейнольдса Re.

11. Условия однозначности для процессов конвективного теплообмена

(Оно же – краевые условия)

Чтобы из бесчисленного количества выделить конкретно рассматриваемый процесс и дать его полное математическое описание, к дифференциальному уравнению необходимо присоединить математическое описание всех частных особенностей рассматриваемого процесса. Эти частные особенности, которые совместно с дифференциальным уравнением дают полное математическое описание конкретного процесса теплопроводности, называются условиями однозначности или краевыми условиями. Математическое описание дает возможность нахождения распределения температур в теле для конкретных условий распространения тепла.

Разделяется на: геометрические, физические, начальные (временные) и граничные условия.

* Геометрическими условиями задаются форма и размеры тела, в котором протекает процесс.

* Физическими условиями задаются физические параметры тела и среды, например, λ, с, ρ.

* Начальные условия – для создания закона распределения температуры до нагревания тела

t = f (x, y, z ).

В случае равномерного распределения температуры в теле: t = t0 = const.

Граничное условие 1 рода. Задается распределение температуры на поверхности тела для каждого момента времени:

tc = f (x, y, z, τ),

Граничное условие 2 рода. Задаются значения теплового потока для каждой точки поверхности тела и любого момента времени:

qc = f (x, y, z, τ),

Граничное условие 3 рода. Задаются температура и закон теплообмена между телом и окружающей средой. Описывается законом Ньютона-Рихмана:

q = α (tc - toc)

Граничное условие 4 рода. Теплообмен между двумя твердыми телами, между телами идеальный контакт и температуры соприкасающихся поверхностей равны.

Предполагается равенство тепловых потоков через поверхность соприкосновения.

В таких задачах задается отношение тангенсов угла наклона касательных к температурным кривым.



Или

12. Значения теории подобия. Условия подобия физических явлений.

Теория подобия - учение об условиях подобия физических явлений. Теория подобия опирается на учение о размерностях физических величин и служит основой моделирования физического. Предметом Т.п. является установление подобия критериев различных физических явлений и изучение с помощью этих критериев свойств самих явлений.

Условия подобия:

а) Понятие подобия в отношении физических явлений приме­нимо только к явлениям одного и того же рода, которые качест­венно одинаковы и аналитически описываются одинаковыми урав­нениями как по форме, так и по содержанию.

б) Обязательной предпосылкой подобия физических явлений должно быть геометрическое подобие. Последнее означает, что подобные явления всегда протекают в геометрически подобных си­стемах.

в) При анализе подобных явлений сопоставлять между собой можно только однородные величины и лишь в сходственных точ­ках пространства и в сходственные моменты времени.

г) Наконец, подобие двух физических явлений означает подо­бие всех величин, характеризующих рассматриваемые явления. Это значит, что в сходственных точках пространства и в сходственные моменты времени любая величина φ' первого явления пропорциональна однородной с ней величине φ" второго явления, т. е. φ" = сφ φ'.

13. Критерии подобия и уравнения конвективного теплообмена:

13. Основы теории пограничного слоя. Особенности течения вязкой жидкости при больших числах Re. Пограничный слой.

Основы теории пограничного слоя:

При обтекании твердого тела влияние сил вязкости может быть существенным только в области тонкого пристеночного слоя, а за его пределами им можно пренебречь. В основной массе потока (вдали от стенки) скорости жидкости в значительной мере выравнены по сечению трубы однако вблизи стенки трубы скорость резко снижается, обращаясь у самой стенки в нуль. В непосредственной близости от стенки, с приближением к ней, движение жидкости становится все менее турбулентным и все более ламинарным, вследствие того, что твердая стенка как бы «гасит» турбулентные пульсации в поперечном направлении. Таким образом, турбулентное движение не существует в чистом виде, а всегда сопровождается ламинарным. Условно различают центральную зону, или основную массу жидкости, называемую ядром потока (внешним потоком), в которой движение является развитым турбулентным, и пограничный слой вблизи стенки, где происходит переход турбулентного движения в ламинарное. Для внешнего потока справедлива теория движения идеальной жидкости (т.е. справедливы уравнения Эйлера). Для пограничного слоя справедливы уравнения Навье-Стокса.

Особенности течения вязкой жидкости при больших числах Re. Пограничный слой

Если числа Re велики (Re » 1) , можно ожидать, что течения вязкой жидкости близки течениям идеальной, за исключением тонкого слоя около границы. В этом тонком слое влияние вязкости существенно сказывается на распределение скорости. И этот тонкий слой принято называть пограничным . Пограничный слой называют динамическим (когда изучается гидродинамическая задача), тепловым (когда изучается температурное поле) и диффузионным (когда изучается концентрационное поле).

Граничные условия 5 рода. При тепловом воздействии происходит превращение массы (плавление, сублимация и т.п.) и местоположение поверхности перемещается во времени.

13. 
    Никита
    
14. 
    Никита
    

15. Ламинарный и турбулентный режим течения, уравнение Рейнольдса

Такое движение, при котором все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям, называют струйчатым или ламинарным. (Re<2300)

Такое неупорядоченное движение, при котором отдельные частицы жидкости движутся по запутанным, хаотическим траекториям, в то время как вся масса жидкости в целом перемещается в одном направлении, называют турбулентным. (230010000 – устойчивый (развитый))

Переход от ламинарного течения к турбулентному происходит тем легче, чем больше массовая скорость жидкости ρω и диаметр трубы d и чем меньше вязкость жидкости µ.



Указанное значение Re = 2300 является условным, так как оно относится лишь к стабилизированному изотермическому потоку в прямых трубах с очень малой шероховатостью стенок. Значение Re и турбулентный режим движения для газов достигается при значительно больших скоростях, чем для капельных жидкостей (при равных d).

Суммарное касательное напряжение в потоке определяется, следовательно, как вязкостью жидкости, так и турбулентностью потока:



Где, w*- Разность между истинной и осредненной скоростями называют мгновенной и пульсационной скоростью

µ - динамическая вязкость

Сумма средних значений и пульсаций мгновенных величин подставим уравнение движения с учетом пульсационных скоростей которые запишутся в виде:



Это выражение называется уравнением Рейнольдса. В этом уравнении появившееся слагаемое div i ∗ ρω ω учитывает перенос импульса турбулентными пульсациями. Последнее слагаемое в правой части в проекции на ось 0х запишем в виде

13. Ламинарный пограничный слой.

При обтекании твердого тела влияние сил вязкости может быть существенным только в области тонкого пристеночного слоя, а за его пределами им можно пренебречь. Отмечено, что в основной массе потока (вдали от стенки) скорости жидкости в значительной мере выравнены по сечению трубы. Однако вблизи стенки трубы скорость резко снижается, обращаясь у самой стенки в нуль. В непосредственной близости от стенки, с приближением к ней, движение жидкости становится все менее турбулентным и все более ламинарным, вследствие того, что твердая стенка как бы «гасит» турбулентные пульсации в поперечном направлении. Таким образом, турбулентное движение не существует в чистом виде, а всегда сопровождается ламинарным.

Условно различают центральную зону, или основную массу жидкости, называемую ядром потока (внешним потоком), в которой движение является развитым турбулентным, и пограничный слой вблизи стенки, где происходит переход турбулентного движения в ламинарное.

Пограничный слой называют динамическим (когда изучается гидродинамическая задача), тепловым (когда изучается температурное поле) и диффузионным (когда изучается концентрационное поле). Внутри динамического (гидродинамического) пограничного слоя имеется тонкий подслой (у стенки трубы или пластины) толщиной δ, где силы вязкости оказывают превалирующее влияние на движение жидкости. Поэтому характер ее течения в подслое в основном ламинарный. Градиент скорости в ламинарном пограничном слое очень высок, причем у самой стенки скорость равна нулю. Ламинарный подслой в турбулентном потоке характеризуется очень малой толщиной (доли миллиметра), которая уменьшается с возрастанием турбулентности потока. Ламинарный подслой оказывает значительное влияние на величину гидравлического сопротивления при движении жидкости, а также на протекание тепло- и массообмена. Между ядром потока и ламинарным подслоем существует переходная зона, причем ламинарный подслой и эту зону иногда называют гидродинамическим пограничным слоем. Толщина его определяется тем, что напряжения сдвига между частицами жидкости в пограничном слое, обусловленные ее вязкостью и турбулентными пульсациями, а, следовательно, значения ν и νt становятся сравнимыми по порядку величин.

19. Турбулентный пограничный слой.

Критические значения чисел Рейнольдса зависят также от шероховатости пластины, причем для шероховатой пластины критические числа Рейнольдса меньше, чем для гладкой пластины. При обтекании пластины с недостаточно острой передней кромкой с самого начала может иметь место турбулентный пограничный слой (ламинарная и переходная зоны в этом случае отсутствуют). Переходная зона пограничного слоя отличается перемежаемостью течения: в данной области потока оно может быть либо ламинарным, либо турбулентным потоком. По мере приближения к точке xkr 2время существования ламинарного режима течения стремится к нулю. Коэффициент перемежаемости γ, характеризующий долю времени существования турбулентного режима течения, в области x kr1 ≤ x≤ x kr2 изменяется следующим образом: 0 ≤ γ ≤ 1.



Принято разбивать турбулентный пограничный слой на две части: внешнюю и внутреннюю. Наблюдая за режимами движения во внешней части можно обнаружить, что поток является турбулентным только в течение времени t τ , а в другое время τ поток является ламинарным. Этот смешанный режим или явление характеризуется коэффициентом перемежаемости γ:

20. Тепло и массоотдача.

В движущейся однокомпонентной среде теплота переносится теплопроводностью и конвекцией. Этот процесс называется конвективным теплообменом. По аналогии перенос вещества в многокомпонентной среде совместно происходящими процессами молекулярной диффузии и конвекции называют конвективным массообменом. Для расчетов теплоотдачи используют закон Ньютона—Рихмана

qc = a(tc – t0);qc измеряется в Дж/(м2×с).

Для расчетов массоотдачи используют уравнение

Для расчетов массоотдачи используют уравнение

21. Тройная аналогия.

,

где υ-кинетическая вязкость, D-коэффициент диффузии, а-коэффициент

температуропроводности.

Сравнив уравнение диффузии, энергии и движения описывающие поля концентрации, температуры и скорости в раздельно идущих процессах переноса вещества, теплоты и количества движения.

Эти уравнения тождественны по переменным . Если при этом имеется подобие граничных условий то существует подобие температурных, концентрационных и скоростных полей – в этом и заключается ТРОЙНАЯ АНАЛОГИЯ.

22. Диффузионный пограничный слой

В том случае, когда поперечная составляющая градиента концентрации много больше продольной составляющей, т.е. когда продольным переносом массы в продольном направлении можно пренебречь, область процесса переноса вещества называют диффузионным пограничным слоем. Обычно эта область наблюдается вблизи поверхности раздела фаз (испарение, конденсация и др.). О диффузионном пограничном слое говорят также при рассмотрении процессов искусственно организованного вдува–отсоса инородного газа через пористую поверхность, омываемую потоком основного газа. При вдувании газа растет толщина пограничного слоя и уменьшается коэффициент теплоотдачи. При его отсосе наблюдается обратная картина. Заметьте, что закономерности тепломассообмена, полученные для процессов вдува–отсоса, можно использовать для анализа влияния поперечного потока массы на распределение скорости и температуры в задачах массопереноса, касающихся процессов испарения, конденсации и др.

23. Тепло- и массообмен при конденсации пара из парогазовой смеси

Во многих теплообменных аппаратах горячим теплоносителем являются многокомпонентные смеси газов. Если температура поверхности теплообмена ниже температуры насыщения компонента смеси, то на поверхности теплообмена происходит конденсация этого компонента. В этом случае передача теплоты от парогазовой смеси к поверхности теплообмена осуществляется совместно протекающими процессами конвективного теплообмена и конвективного массообмена.

Процесс массообмена возникает из-за наличия в паре неконденсирующегося газа, чаще всего, воздуха, который проникает в теплообменник, работающий под разрежением. При конденсации пара на поверхности охлаждения жидкая фаза (конденсат) выпадает в виде пленки или отдельных капель. Пленочная конденсация возникает на поверхностях, смачиваемых выпадающим конденсатом, капельная – на несмачиваемых поверхностях охлаждения. В указанных случаях конденсация поддерживается за счет отвода теплоты от межфазной границы в объем жидкости. Наличие в паре неконденсирующегося газа затрудняет доступ пара к поверхности конденсации. В результате скорость конденсации уменьшается.

Из-за снижения парциального давления пара вблизи поверхности конденсации температура поверхности пленки оказывается меньше, чем при конденсации чистого пара. Это является основной причиной уменьшения отводимого теплового потока и снижения интенсивности конденсации. Следовательно, чтобы воздух, попадающий в конденсаторы паровых турбин, не оказывал слишком сильно свое отрицательное влияние на теплоотдачу, его необходимо постоянно отводить из конденсатора.

25. Интенсификации процессов производства

Задачи интенсификации процесса теплообмена и создания высокоэффективных теплообменных аппаратов стала весьма актуальной в современной энергетике. В ряде случаев теплообменные аппараты некоторых установок имеют настолько большие размеры, что превышают размеры основного оборудования. В других случаях малая интенсивность теплообмена ограничивает возможности решения поставленных задач. Проблема интенсификации теплообмена особенно актуальна в тех случаях, когда у одного или у обоих теплоносителе коэффициенты теплоотдачи малы.

Трудность достижения эффективного теплообменногоаппаратов для энергетических установок заключается не только в достижении высоких теплоаэродинамических показателей.

Помимо сохранения этих показателей теплообменныеаппараты должны быть надежными в эксплуатации, просты по конструкции, технологичны в изготовлении и иметь небольшую стоимость. Возможность изготовления теплообменной аппаратуры из дешевых материалов с применением современных высокопроизводительных процессов является весьма важной. Задачи интенсификации теплообмена обычно сводятся:

- к уменьшению габаритов и массы теплообменных устройств,

- к снижению температурного напора, т. е. к снижению

температуры стенок при заданной температуре теплоносителя или к увеличению температуры теплоносителя при заданной температуре стенок.Имеется в виду уменьшение габаритов теплообменного устройства или снижение температурного напора по сравнению с их значениями, которые достигаются в данных условиях обычными путями (изменением скорости потока и размерами каналов).

Основными способами интенсификации конвективного теплообмена в теплообменных аппаратах являются:

1. Изменение термического сопротивления.

2. Изменение скорости потока.

3. Использование развитых поверхностей теплообмена путем оребрения и ошиповки. Оребрение поверхности применяется со стороны теплоносителя, обладающего меньшим коэффициентом теплоотдачи. Оребрение поверхности теплообмена целесообразно не только по высоким значениям коэффициента теплопередачи, но и по весовым показателям, так как поверхность оребрения, в 5-10 раз превосходящая несущую поверхность трубок, не подвержена давлению, а поэтому оребрение изготавливается из более тонкого материала, чем трубки, тем самым обеспечивается значительный весовой эффект.

4. Воздействием на поток с целью его искусственной

турбулизации. При значениях критерия Рейнольдса, соответствующих ламинарному и переходному режимам за счет искусственной турбулизации достигаются значения коэффициента теплоотдачи, характерные для развитого турбулентного потока. Однако эффективность искусственной турбулизации потока с увеличением значения критерия Рейнольдса снижается, при этом темп роста сопротивления превалирует над темпом роста теплоотдачи.

5. Уменьшение геометрических размеров поверхности теплообмена.

6. Применение пластинчатых и спиральных теплообменников. Пластинчатая поверхность теплообмена дает возможность получить высокие значения удельной поверхности, создать компактные теплообменные аппараты. Если при этом предпринять дополнительные меры по интенсификации теплообмена либо за счет воздействия на поток, либо за счет оребрения, можно получить высокоэффективную поверхность теплообмена.

Основными способами интенсификации лучистого теплообмена являются:

1. Увеличение температуры дымовых газов.

2. Увеличение степени черноты дымовых газов