Файл: Учебное пособие Томск 2001 удк.doc

омский политехнический университет

Л.С. Коновалова, Ю.А. Загромов

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Учебное пособие

Томск 2001
УДК

К 64
Коновалова Л.С., Загромов Ю.А. Теоретические основы теплотехники. Теплопередача: Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2001. – 118 с.

В учебном пособии изложена теория основных разделов дисциплины. Выделены важнейшие положения, законы, методы теплотехнических расчетов. По каждой теме имеются вопросы и задания для контроля знаний, примеры решения задач. Приложение содержит справочный материал.

Пособие подготовлено на кафедре теоретической и промышленной теплотехники, соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов специальности 100700 «Промышленная теплотехника» и 100500 «Тепловые электрические станции» Института дистанционного образования.

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета
Томского политехнического университета.

Рецензенты:
Ю.В. Видин – зав. каф. теоретических основ теплотехники Красноярского политехнического университета, профессор, кандидат технических наук;
С.В. Голдаев – старший научный сотрудник научно-исследовательского
института прикладной математики и механики при Томском госуниверситете, кандидат технических наук.

Темплан 2001


Томский политехнический университет

ВВЕДЕНИЕ

Ускорение научно – технического прогресса связано с полным удовлетворением потребностей страны в топливно-энергетических ресурсах. Наряду с увеличением добычи топлива и производства энергии эта задача решается путем осуществления активной энергосберегающей политики во всех отраслях народного хозяйства. Большинство современных производств сопровождаются теплотехнологическими процессами, от правильного ведения которых зависит производительность и качество выпускаемой продукции. В связи с этим, а также проблемами создания безотходной технологии и охраны окружающей среды значительно

возросла роль теплотехники как науки, теоретическую базу которой составляют термодинамика и теплопередача.

Теплопередача изучает законы переноса теплоты. Исследования показывают, что теплопередача является сложным процессом. При изучении этот процесс расчленяют на простые явления. Задачей курса является изучение простых и сложных процессов переноса теплоты в различных средах.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1. Способы переноса теплоты

Теплота самопроизвольно передается от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой. При отсутствии разности температур теплообмен прекращается и наступает тепловое равновесие.

Различают три способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность – передача теплоты при контакте между телами и частицами тела. Теплопроводностью тепло передается по твердым телам, в жидкостях и газах.

Конвекция – перемещение массы жидкости или газа из среды с одной температурой в среду с другой температурой. Если движение вызвано разностью плотностей нагретых и холодных частиц – это естественная конвекция, если разностью давлений – вынужденная конвекция. Конвекцией теплота передается в жидкостях и газах.

Тепловое излучение – процесс распространения теплоты от излучающего тела с помощью электромагнитных волн. Он обусловлен температурой и оптическими свойствами излучающего тела (твердых тел, трех- и многоатомных газов).

В твердых телах теплота передается только теплопроводностью. Только излучением теплота передается между телами, расположенными в вакууме. Конвекцию невозможно отделить от теплопроводности.

Совместный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен между поверхностью и омывающей ее средой называется теплоотдачей.

Передача теплоты одновременно двумя или тремя способами называется сложным теплообменом

.

Передача теплоты от одной среды к другой через разделяющую их стенку называется теплопередачей.

1.2. Температурное поле. Градиент температуры. Тепловой поток

Температурное полетела или системы тел – это совокупность мгновенных значений температур во всех точках рассматриваемого пространства. В общем случае уравнение температурного поля имеет вид

t = f (x , y, z, ),

(1.1)

где t – температура; x , y, z, - координаты; - время.

Такое температурное поле называется нестационарным. Если температура с течением времени не изменяется, то температурное поле называется стационарным. Тогда

t = f (x, y,z),

Температура может быть функцией одной, двух и трех координат; соответственно температурное поле будет одно-, двух- и трехмерным. Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля: t = f (x ).

П

оверхность, объединяющая точки тела с одинаковой температурой, называется изотермической. Изотермические поверхности не пересекаются, они либо замыкаются на себя, либо заканчиваются на границе тела. Пересечение изотермических поверхностей с плоскостью дает на ней семейство изотерм: t, t -  t,
t +  t (рис. 1.1).

Направление, по которому расстояние между изотермическими поверхностями минимальное, называется нормалью (n) к изотермической поверхности.

Производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным градиентом

(1.2)

Температурный градиент – вектор, направленный по нормали к изотерме в сторону увеличения температуры.

Общее количество теплоты, переданное в процессе теплообмена через изотермическую поверхность площадью F в течение времени ,обозначим

Q_, Дж.

Количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность площадью F в единицу времени, называется тепловым потоком Q, Вт.

Тепловой поток, переданный через единицу поверхности, называется плотностью теплового потока

Вектор плотности теплового потока направлен по нормали к изотермической поверхности в сторону уменьшения температуры (рис. 1.1).

1.3. Законы переноса теплоты

Теплота, передаваемая теплопроводностью, описывается законом Фурье, согласно которому вектор плотности теплового потока пропорционален температурному градиенту

(1.3)

Тепловой поток, количество теплоты и плотность теплового потока связаны соотношениями:

Q = qF,Вт,

Q_ = qF,Дж,

(1.4)

(1.5)

где F, м² – площадь изотермической поверхности; , с – промежуток времени.

Коэффициент пропорциональности в уравнении (1.3) , Вт/мК называется коэффициентом теплопроводности и характеризует способность тел передавать теплоту. Коэффициент теплопроводности зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры тел. Значения коэффициентов теплопроводности определяются экспериментально и для технически важных тел (металлов, строительных и изоляционных материалов, жидкостей, газов) содержатся в справочной литературе. Наибольшие коэффициенты теплопроводности имеют металлы, наименьшие – теплоизоляционные материалы и газы.

Так как тела могут иметь различную температуру, например от t₁ до t₂, то расчеты ведутся при среднем значении коэффициента теплопроводности (_ср) для данного интервала температур. Если в справочнике значения  = f (t) даются в виде таблицы, то получить _ср для данного интервала температур несложно. Для многих материалов в справочнике приводится линейная зависимость  = f (t):

 (t) = а  bt,

(1.6)

где а, b – постоянные коэффициенты, присущие конкретному материалу. Формулу для расчета