|
|
Билеты теплофизика. билеты по теплофизике. Техническая термодинамика цели и задачи. Основные понятия и определения рабочее тело, термодинамическая система (тдс), виды тдс
Конвекция
Конвекция характерна для жидких и газообразных сред, где перенос теплоты происходит в результате движения молекул. Конвективный теплообмен наблюдается у поверхности стен при наличии температурного перепада между конструкцией и соприкасающимся с ней воздухом. В окнах жилых домов конвективный теплообмен происходит между поверхностями остекления, обращенными внутрь воздушной прослойки. Нагреваясь от внутреннего стекла, теплый воздух поднимается вверх. При соприкосновении с холодным наружным стеклом воздух отдает свое тепло и, охлаждаясь, опускается вниз (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Схема передачи теплоты конвекцией в межстекольном пространстве оконного блока со спаренным остеклением
Излучение происходит в газообразной среде путем передачи теплоты с поверхности тела через пространство (в виде энергии электромагнитных волн). Благодаря лучистому теплообмену поверхность Земли обогревается Солнцем, находящимся от нее на расстоянии многих световых лет. Аналогичным образом осуществляется передача теплоты излучением между двумя поверхностями, расположенными в стене и разделенными воздушной прослойкой. Нагретая поверхность радиатора излучает теплоту и обогревает помещение. Чем выше температура поверхности отопительного прибора, тем сильнее обогревается помещение (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Схема теплообмена излучением между отопительным прибором и человеком
30. Теплопроводность в плоских однослойных стенках.
Р    
t
q=Const
tc1
tc2
x
ассмотрим однородную плоскую стенку толщиной , на поверхностях которой поддерживаются температуры tс1 и tс2, причем tс1>tс2 (рис.2.2). температура изменяется только по толщине стенки - по одной координате х, коэффициент теплопроводности  . Теплового потока в этом случае, в соответствии с законом Фурье,
определяется по формуле:
  ,
или
 ,
где  , причем tс1>tс2;
 - внутреннее термическое сопротивление теплопроводности стенки, (м2К)/Вт.
Распределение температур в плоской однородной стенке - линейное.
В большинстве практических задач приближенно предполагается, что коэффициент теплопроводности  не зависит от температуры и одинаков по всей толщине стенки. значение находят в справочниках при средней температуре  .
Тепловой поток (мощность теплового потока) определяется по формуле:
 ,
31. Теплопроводность в плоских многослойных стенках.
Многослойная плоская стенка
Р  
t
1
q=Const
tc1
x
 
tc2
 
tc3
    
tc1
2
3
1 2 3
ассмотрим для тех же условий многослойную плоскую стенку с толщиной слоев 1, 2,…, n с соответствующими коэффициентами теплопроводности 1, 2,…, n (рисунок 9.4). Здесь слои плотно прилегают друг к другу.
В этом случае плотность теплового потока определяется по формуле:
Рисунок 9.4 - Распределение температур по толщине многослойной плоской стенки
 ,
где n - число слоев многослойной стенки;
tc1 и tc(n+1) - температуры на внешних границах многослойной стенки;
 - полное термическое сопротивление многослойной плоской стенки.
Плотность теплового потока, проходящего через все слои, в стационарном режиме одинакова. А так как коэффициент теплопроводности различен, то для плоской многослойной стенки распределение температур - ломанная линия.
Рассчитав тепловой поток через многослойную стенку, можно найти температуру на границе любого слоя. Для к-го слоя можно записать:
 ,
32. Физический смысл коэффициента теплопроводности. Уравнение Фурье.
Теория теплопроводности рассматривает тело как непрерывную среду. Согласно основному закону теплопроводности - закону Фурье - вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален вектору градиента температуры:
 ,где - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК). Он характеризует способность вещества, из которого состоит рассматриваемое тело, проводить теплоту.
Знак «-» указывает на противоположное направление вектора теплового потока и вектора градиента температуры. Вектор плотности теплового потока q всегда направлен в сторону наибольшего уменьшения температуры.
скалярная величина вектора плотности теплового потока:
 ,
Из формулы следует, что коэффициент теплопроводности  определяет плотность теплового потока при градиенте температуры 1 К/м.
коэффициент теплопроводности является физическим параметром и зависит от химической природы вещества и его физического состояния (плотности, влажности, давления, температуры). Диапазоны изменения для различных материалов приведены на рисунке 9.2.
Теплопроводность при стационарном режиме
33. Теплопроводность в цилиндрической однослойной стенке.
Однородная цилиндрическая стенка
Задача о распространении тепла в цилиндрической стенке также одномерная, если ее рассматривать в цилиндрических координатах. температура изменяется только вдоль радиуса r, а по длине и по ее периметру остается неизменной.
В соответствии с законом Фурье, тепловой поток через однородную цилиндрическую стенку длиной l определяется по формуле:  ,
Т         
d1
d2
tC1
tC2
t
епловой поток Q через цилиндрическую стенку можно отнести к единице длины l:
 ,
где ql - линейная плотность теплового потока, Вт/м;
Рисунок 9.5 - Изменение температуры по толщине однородной цилиндрической стенки
линейное термическое сопротивление теплопроводности трубы.
При значениях d2/d1 близких к единице расчеты Rl должны производиться с высокой точностью, т.к. при округлении d2/d до одного знака после запятой погрешность вычисления логарифма будет больше 10%. С точностью до 4% при d2/d1 < 2 в практических расчетах рекомендуется пользоваться формулой для плоской стенки:
 ,
где dcp=0,5(d1+d2) - средний диаметр трубы.
В толще однородной цилиндрической стенки температура изменяется по логарифмическому закону.
34. Теплопроводность в цилиндрической многослойной стенке.
Аналогично многослойной плоской стенке, полное термическое сопротивление многослойной цилиндрической стенки можно записать:
 ,
где di и di+1 - соответственно внутренний и внешний диаметры iго слоя.
Тогда линейная плотность теплового потока будет:
 ,
Для многослойной цилиндрической стенки распределение температур - ломаная логарифмическая линия.
35. Конвективный теплообмен.
Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью называется теплопередачей, а поверхность тела, через которую переносится теплота, - поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.
Согласно закону Ньютона и Рихмана тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален площади поверхности теплообмена F и разности температур поверхности tc и жидкости tж:
Q=Ftc-tж
В процессе теплоотдачи независимо от направления теплового потока Q (от стенки к жидкости или наоборот) значение его можно считать положительным, поэтому разность tc-tж берут по абсолютной величине.
Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи; его единица измерения Вт/(м2К). Он характеризует интенсивность процесса теплоотдачи. Численное значение его равно тепловому потоку от единичной поверхности теплообмена при разности температур поверхности и жидкости в 1 К.
Коэффициент теплоотдачи обычно определяют экспериментально, измеряя тепловой поток Q и разность температур t= tc-tж в процессе теплоотдачи от поверхности известной площади F. Затем по формуле Q=Ftc-tж рассчитывают . При проектировании аппаратов (проведении тепловых расчетов) по этой формуле определяют одно из значений Q, F или t. При этом находят по результатам обобщения ранее проведенных экспериментов.
Коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств жидкости и характера ее движения. Различают естественное и вынужденное движение (конвекцию) жидкости. Вынужденное движение создается внешним источником (насосом, вентилятором, ветром). Естественная конвекция возникает за счет теплового расширения жидкости, нагретой около теплоотдающей поверхности в самом процессе теплообмена. Она будет тем сильнее, чем больше разность температур t= tc-tж и температурный коэффициент объемного расширения:
где =1/ - удельный объем жидкости.
Для газов, которые в большинстве случаев приближенно можно считать идеальными, коэффициент объемного расширения можно получить, воспользовавшись уравнением Клапейрона:
=1/Т
температурный коэффициент объемного расширения капельных жидкостей значительно меньше, чем газов. В небольшом диапазоне изменения температур, а значит, и удельных объемов производную в уравнении можно заменить отношением конечных разностей параметров холодной (с индексом «ж») и прогретой (без индексов) жидкости:
разность плотностей ж-=ж(t-tж) приводит к тому, что на любой единичной объем прогретой жидкости будет действовать подъемная сила Fп, равная алгебраической сумме выталкивающей архимедовой силы А=-жg и силы тяжести G=g:
Fп=A+G=-g(ж-)=-ж(t-tж).
36. Уравнение Ньютона-Рихмана.
Если в некоторой изолированной системе содержится смесь компонентов с первоначально неоднородным распределением концентраций, то в ней возникает перенос массы компонентов смеси, стремящейся к установлению равновесного (равномерного) поля концентраций.
Перенос вещества в смеси, обусловленный тепловым хаотическим движением микрочастиц вещества (молекул, ионов, атомов), называется молекулярной диффузией. Молекулярная диффузия вследствие неоднородного распределения концентраций в смеси называется концентрационной диффузией.
При перемещении, т.е. конвекции, масса компонента переносится макроскопическим элементами смеси. Перенос массы за счет совместного действия молекулярной диффузии и конвективного переноса вещества называется конвективным массообменом. Конвективный массообмен между жидкой (твердой) поверхностью и окружающей средой называется массоотдачей. Плотность потока массы при концентрационной диффузии определяют уравнением, аналогичным уравнению Ньютона-Рихмана:
где М - коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности концентраций диффундирующего вещества, м/с;
mic и mio – концентрации вещества на поверхности массоотдачи и в окружающей среде.
Поток массы от поверхности площадью F определяют по формуле:
37. Физический смысл коэффициента теплоотдачи.
коэффициент пропорциональности  , называемый коэффициентом теплопередачи, характеризует интенсивность процесса передачи тепла. В свою очередь
Из уравнения видно, что коэффициент теплопередачи тесно связан с величинами коэффициентов теплоотдачи и термическим сопротивлением стенки. Конкретно, чем больше  , и коэффициент теплопроводности материала стенки  , тем больше величина  и тем больше количество передаваемого тепла. Физический смысл коэффициента теплопередачи следующий: численно равен количеству тепла, которое передается от одной жидкости к другой через стенку площадью 1  при разности температур между теплоносителями в 1 К, за время 1 с. Поэтому единицей измерения является  или  . Величина разностей температур  является движущей силой процессов теплопередачи или температурным напором. Следует отметить, что обычно в инженерной практике при тепловом расчете и проектировании теплообменной аппаратуры величины коэффициентов теплоотдачи по постановке задачи неизвестны. Поэтому, определение коэффициентов теплоотдачи  является одной из основных задач теории теплообмена. Знание коэффициентов теплоотдачи как при расчетах процесса теплоотдачи, так и при расчетах процесса теплопередачи, поскольку величины входят в коэффициент теплопередачи.
38. Теплопередача.
Теплопередача (теплообмен) - это процесс обмена энергией между системой и окружающими ее телами; при этом нет изменения внешних параметров состояния системы (P, V, T). Теплопередача осуществляется либо путем непосредственного взаимодействия частиц системы с частицами среды при их случайных столкновениях (теплопроводность, конвекция), либо путем обмена электромагнитным излучением (лучеиспускание). Например, при столкновении "холодного" и "горячего" газов молекулы нагретого газа передают энергию (при случайных столкновениях) молекулам холодного газа. Вода в море в дневное время прогревается (получает энергию) за счет излучения, посылаемого Солнцем. Энергия, полученная или отданная системой в процессе теплопередачи, называется количеством тепла. Количество тепла Q измеряется в Джоулях (Дж) и является величиной скалярной. Q > 0 (положительная величина), если система получает тепло; Q < 0(отрицательная величина), если система отдает тепло.
Уравнение теплопередачи
 , (2.3)
где k и Δt – коэффициент теплопередачи, Вт/( м2∙K) и средний температурный напор для всего теплообменного аппарата, К;
F – поверхность теплообмена, м2. |
|
|
Скачать 1.23 Mb.