WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ Г. Н. Дульнев, С. В. Тихонов ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА Учебное пособие  Санкт-Петербург 2010 1 Дульнев Г. Н., Тихонов С. В. Основы теории тепломассообмена, – СПб:

СПбГУИТМО, 2010. – 93с.

В пособии излагаются основы тепло- и массообмена, при этом основное внимание уделено кондуктивному процессу переноса тепловой энергии.

Рассматриваются тепловые модели, позволяющие решать прикладные инженерные задачи. Приводятся примеры по применению теории к решению характерных задач.

Рекомендовано Учебно – методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Техническая физика». Протокол № УМК-30-10 от 10.06.2010г.

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена Программа развития государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «СанктПетербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики» на 2009–2018 годы.

©Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2010 ©Г.Н.Дульнев, С.В.Тихонов, 2010 2 Введение Тепломассообмен – учение о процессе распространения тепла и массы в природе. Основы были заложены еще акад. М.В.Ломоносовым, он создал механическую теорию теплоты и установил законы сохранения массы и энергии. В дальнейшем учение о тепломассообмене развивалось как один из разделов технической физики. В XIX веке в связи с изобретением паровой машины, паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания основное внимание уделялось превращению энергии в работу. В дальнейшем в связи с ростом мощности отдельных агрегатов тепловых машин стала возрастать роль процессов тепломассообмена. Этим процессам большое внимание стали уделять и в других отраслях техники – строительной, металлургической, холодильной, машиностроительной, электротехнической, в атомной энергетике, радиоэнергетике и др.

Например, тепловые ограничения играют решающую роль при эксплуатации электрических машин и в радиоэлектронных устройствах.

Их нагрев лежит в основе многообразных теплофизических процессов, которые могут угрожать жизнеспособности конструкции. При этом опасность повреждения связана не только с уровнем температуры, но и его распределением в пространстве и во времени. Отсюда вытекает необходимость в достоверной и подробной информации о распределении температур в данном агрегате.

Охлаждение высокоэффективных реактивных и газотурбинных двигателей, «тепловой барьер» при больших скоростях движения летательных аппаратов, отвод малых тепловых потоков в атомных реакторах, генерация пара сверхвысоких параметров и другие проблемы новейшей техники расширили область практических приложений теории тепло- и массообмена.

Во многих случаях знания процессов тепло- и массообмена являются определяющим фактором при выборе облика и параметров объекта.

Современный уровень развития науки тепло- и массообмена предполагает использование системного подхода к их созданию в том числе и моделированию процессов переноса тепла и массообмена в различных средах и конструкциях.

Правильное применение методов моделирования подразумевает увязку математического и физического (экспериментального) процессов областях на различных этапах проектирования и испытаний.

Знакомство с учебной и монографической литературой показало, что усилиями зарубежных и отечественных ученых и педагогов созданы в течении XX столетия прекрасные пособия, в которых в строгой и доступной форме изложены основы теплообмена (теплопередача) и массообмена. Поэтому авторы считали естественным использовать имеющийся богатый научный и методический опыт. При этом возникает обычный вопрос, зачем публиковать еще одно учебное пособие, когда можно воспользоваться имеющимися книгами. Прежде всего, для освоения предлагаемого материала студенту пришлось бы пользоваться примерно десятью книгами, которые к тому же малодоступны. Во-вторых, в данном учебном пособии использован и современный материал. В-третьих, отдельные разделы могут быть рекомендованы студентам других специальностей, которые сталкиваются с процессами теплообмена. В настоящем учебном пособии из-за ограниченного объема отсутствуют задачи и лабораторные работы, которые студенты решают на практических и лабораторных занятиях. По данным вопросам можно рекомендовать специальные учебные пособия.

Надеемся, что наличие доступного для студентов учебного пособия поможет увеличить эффективность учебного процесса.

Обозначения t – температура (обычно по шкале Цельсия), 0С T – температура по шкале Кельвина, К t - перепад температур, К - перегрев относительно некоторой температуры, К - время, с n – нормаль к поверхности, Q – количество теплоты, Дж Ф – тепловой поток, Вт q – плотность теплового потока, Вт/мW – объемная плотность внутренних источников теплоты, Вт/мА – площадь (поверхности, сечения), м - теплопроводность материала, Вт/м.К - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2.К - коэффициент объемного расширения, К-1; также температурный коэффициент изменения теплопроводности, К-ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/кг.К - кинематическая вязкость, м2/с a - температуропроводность материала, м2/с g – ускорение силы тяжести, м/сu – скорость, м/с - угловой коэффициент F – тепловой коэффициент, К/Вт R – тепловое сопротивление, К/Вт l – расстояние, геометрический размер, м - толщина, м V – объем, мU – периметр, м.



Подстрочные индексы с – среда i,j – номер тела, поверхности пр – приведенное значение п – пластина ц – цилиндр ш – шар, сфера к – конвективная составляющая л – лучистая составляющая x,y,z – указывает соответствующее направление эф – эффективное значение Оглавление Введение…………………………………………………………………………………...Обозначения……………………………………………………………………………….I. Основные закономерности процессов тепло- и массообмена...........................................................1.1. Процессы тепло- и массообмена в природе.....................................................................................1.2. Перенос тепловой энергии кондукцией. Основные понятия и определения.....................1.3. Перенос энергии конвекцией. Закон Ньютона-Рихмана.........................................................1.4 Перенос энергии излучением...............................................................................................................1.5 Тепловое сопротивление и тепловой коэффициент...................................................................1.6. Тепловое сопротивление плоской, цилиндрической и сферической стенок..................1.7. Составные стенки. Применение законов Кирхгофа..................................................................1.8. Сложный теплообмен.............................................................................................................................II. Кондукция...........................................................................................................................................................2.1. Уравнение теплопроводности. Краевые условия.......................................................................2.1.1. Уравнение теплопроводности для анизотропного тела с источником энергии и переменными теплофизическими параметрами............................................................................2.1.2. Частные случаи уравнения Фурье.............................................................................................2.1.3. Краевые условия...............................................................................................................................2.2. Стационарное поле температур оболочек простейшей формы............................................2.2.1. Плоская стенка...................................................................................................................................2.2.2. Цилиндрическая стенка.................................................................................................................2.2.3. Шаровая стенка.................................................................................................................................2.2.4. Тепловое сопротивление от сферы к неограниченному пространству.....................2.3. Стационарное поле температур тел с источниками тепла......................................................2.4. Нестационарный тепловой режим тела с равномерным полем температур...................2.4.1. Дифференциальное уравнение процесса...............................................................................2.4.2. Интегрирование системы уравнений (2.61), (2.64).............................................................2.4.3. Нагревание или охлаждение тела в среде с постоянной температурой....................2.4.4. Нагревание или охлаждение в среде, температура которой изменяется во времени с постоянной скоростью.........................................................................................................2.4.5. Температурный режим тела, помещённого в среду с гармонически меняющейся температурой.....................................................................................................................2.4.6. Термическая инерция тела............................................................................................................2.4.7. Внутренние источники энергии в теле.................................................................................... 2.5. Стационарное температурное поле стержней и пластин.........................................................2.5.1. Особенности теплообмена стержней и пластин. Дифференциальные уравнения........................................................................................................................................................2.5.2. Дифференциальное уравнение теплопроводности для стержня.................................2.5.3. Дифференциальное уравнение теплопроводности для пластины..............................2.5.4. Дифференциальное уравнение для диска..............................................................................2.6. Критерии неравномерности поля температур в теле.................................................................2.7. Температурное поле стержня с источником тепла.....................................................................2.8. Температурное поле пластины и диска...........................................................................................2.8.1. Обобщенное решение уравнения Бесселя.............................................................................2.8.2. Круглое ребро постоянной толщины.......................................................................................2.8.3. Эффективность круглого ребра постоянной толщины....................................................2.9. Анализ ошибки измерения температуры.......................................................................................2.10. Принцип суперпозиции температурных полей........................................................................Библиографический список.............................................................................................................................. Основные закономерности процессов тепло- и массообмена 1.1. Процессы тепло- и массообмена в природе Тепломассообмен – раздел физики, в котором рассматриваются процессы переноса теплоты (энергии) и массы (вещества).





Явления теплообмена связаны с необратимым переносом энергии из одной части пространства в другую и вызваны разностью температур.

Явления массообмена связаны с необратимым перемещением вещества из одной части пространства в другую и вызваны разностью концентраций.

Если оба явления сопутствуют друг другу и их приходится рассматривать во взаимосвязи, то соответствующие процессы называют тепломассообменом. Когда явления теплообмена и массообмена мало влияют друг на друга, их можно рассматривать порознь, иногда имеет место только какое-нибудь одно явление. Соответствующие процессы в этих случаях называют процессами тепло- и массообмена, теплообмена, массообмена.

Перенос теплоты и вещества происходит благодаря молекулярному или конвективному процессу.

Молекулярный перенос осуществляется микрочастицами (атомами, молекулами) в среде с неоднородным распределением температуры или концентрации.

Конвективный перенос осуществляется макрообъёмами среды при их перемещении.

Перенос энергии происходит с помощью механизма теплопроводности, конвекции и излучения.

Теплопроводность – молекулярный перенос энергии в сплошной среде, вызванной разностью температур.

Конвекция – перенос энергии совместно молекулярными и конвективными механизмами, вызванный также разностью температур.

Излучение – перенос энергии электромагнитными волнами. Этот процесс обусловлен превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения, переносом излучения и его поглощением веществом.

Перенос массы происходит с помощью двух механизмов: диффузии и конвективного массообмена.

Диффузия - молекулярный перенос вещества в среде, вызванный разностью концентраций (концентрационная диффузия), температур (термодиффузия) или давлений (бародиффузия).

Конвективный массообмен – перенос массы, вызванный совместным действием конвективного переноса вещества и диффузии.

Приведём примеры, связанные с переносом тепла и массы в природе.

Теплообмен человека со средой (тепло- и массообмен); перенос тепла из жилища в окружающую среду и, наоборот, из среды в жилище (теплообмен); перенос энергии от Солнца к Земле (теплообмен);

различные способы переработки вещества и продуктов – от приготовления пищи до сложных производственных технологических процессов – также связаны с переносом энергии и вещества в пространстве (тепломассообмен).

Такие процессы, как испарение, сушка, образование облаков, представляют собою целый комплекс явлений тепломассообмена, сопровождающихся фазовыми превращениями.

В некоторых случаях имеют место какие-нибудь одни процессы.

Например, процессы диффузии при производстве транзисторов, интегральных схем. В других случаях эти процессы настолько переплетаются, что трудно выделить один из них в качестве основного.

Например, при взаимодействии мощных потоков лазерного излучения с веществом происходит нагревание последнего до температуры плавления, затем испарение; испарившееся вещество выбрасывается в окружающее пространство; дальнейшее поступление энергии приводит к ионизации паров, образованию плазмы и т.д.

Благодаря сложности процессов тепломассообмена, целесообразно начать их изучение отдельно, т.е. рассмотреть порознь явления кондукции, конвекции, излучения, диффузии, конвективного массообмена, а затем обратить внимание на более глубокое изучение методов исследования таких явлений, в которых процессы могут встречаться в любой комбинации.

1.2. Перенос тепловой энергии кондукцией. Основные понятия и определения Две системы могут обмениваться теплом лишь в том случае, если они находятся при различных температурах, причём перенос тепла происходит в направлении от системы с более высокой к системе с более низкой температурой.

Здесь не рассматривается вопрос о механизме переноса тепловой энергии кондукцией, конвекцией и излучением; основное внимание обращено на знакомство с феноменологическими законами переноса тепла. Количественные зависимости, связывающие разность температур систем с величиной теплового потока в случае кондукции, конвекции и излучения, имеют различный характер.

Рассмотрим перенос тепла кондукцией (теплопроводностью) в различных телах и системах тел. Совокупность тел с различными теплофизическими параметрами (коэффициент теплопроводности, объёмная теплоёмкость) и явно выраженными границами раздела будем называть системой тел или неоднородным телом (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Системы тел. Неоднородное тело (рис а) Каждая часть такой системы будет однородным телом. Однородные тела могут быть изотропными и анизотропными. В изотропном теле теплофизические параметры одинаковы во всех направлениях, в анизотропном – они различны в разных направлениях, но могут быть постоянными в выбранном направлении.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.