Основные положения теории теплопроводности. Основные положения конвективного теплообмена. Методы подобия и моделирования. Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности. Основные законы теплового излучения между непрозрачными телами.
Аннотация к работе
Учреждение образования «Государственный институт повышения квалификации и переподготовки кадров в области газоснабжения «Газ-институт» Печатается по решению Совета института Учреждения образования «Государственный институт повышения квалификации и переподготовки кадров в области газоснабжения «Газ-институт»В практическом пособии приведена программа дисциплины «Тепломассообмен», даны вопросы для самопроверки знаний и ответы на них. Даны методические указания по изучению шестнадцати тем, которые в полной мере охватывают содержание дисциплины. В указаниях приведены три контрольные работы, содержащие один вариант контрольных вопросов и три варианта контрольных задач, с методическими указаниями по их решению. Для слушателей с высшим образованием, проводящих переподготовку по специальности «Промышленная теплоэнергетика». Оглавление Введение………………………………………………………………………….……4 Тема 1.Основные положения теории теплопроводности………..……………….…7 Тема 2.Задача изучения дисциплины - овладение закономерностями основных процессов переноса теплоты и массы, в частности процессов тепло-и массообмена, протекающих совместно, усвоение основных результатов теоретических и экспериментальных исследований и ознакомление с путями решения современных проблем тепломассообмена, приобретение умений и навыков в проведении тепловых расчетов и решении практических задач, связанных с тепломассообменом в элементах энергетических установок. Слушателям планируется курс лекций объемом 22 ч; самостоятельная работа - 380 ч, включающая освоение текста учебника и выполнение трех контрольных работ; лабораторный практикум - 10 ч, практические занятия - 42 ч; экзамен с включением в экзаменационный билет одной задачи. В списке рекомендуемой литературы выделены учебник и задачник (основной комплект книг), в которых объем и структура материала в наибольшей степени согласуется с утвержденной программой дисциплины, а приведенные в приложениях справочные данные достаточны, чтобы в полном объеме выполнить расчеты, предусмотренные контрольными заданиями. В случае затруднений с приобретением указанных в списке изданий учебника [1] и задачника [2], можно воспользоваться этими же книгами Соответственно через q обозначают поверхностную интенсивность мощности теплового потока (называемую для краткости плотностью теплового потока),которую выражают в ваттах на квадратный метр Общее же количество теплоты, прошедшее сквозь границу тела, в рекомендуемом учебнике [1] обозначают через Q и выражают вПередача теплоты через плоскую стенку; распределение температур в тонкой стенке при постоянном и переменном коэффициенте теплопроводности; выражения для теплового потока, коэффициента теплоотдачи и термического сопротивления, их анализа. Передача теплоты через цилиндрическую стенку; распределение температур в стенке длинного цилиндра при постоянном и переменном коэффициентах теплопроводности; выражение для теплового потока, его анализ, приближенные формулы, критический диаметр изоляции. При выводе расчетных формул теплопроводности для плоской, цилиндрической и сферической стенок, как правило, используют дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье, форма написания которого изменяется в зависимости от вида системы координат (прямоугольных, цилиндрических и сферических). Поскольку производные вдоль изотермических поверхностей от температуры по координатам обращаются в нуль, написание уравнения Фурье существенно упрощается в случаях одномерных температурных полей (см. приложение 1). Может ли увеличиваться эквивалентный коэффициент теплопроводности многослойной стенки при увеличении ее общего термического сопротивления, но при сохранении толщины стенки?При выводе расчетных формул следует особо отметить момент появления безразмерных комплексов, названных критериями Фурье и Био. Слушатель должен уметь пользоваться графиками зависимости между критериями Фурье, Био и безразмерной температурой. При изучении способа определения количества теплоты, выделяемой (поглощаемой) телом в процессе нестационарной теплопроводности, усвойте понятие о средней безразмерной температуре тела, научитесь ее определять и использовать для расчета количества теплоты. Достаточно ли знать дифференциальное уравнение теплопроводности, чтобы определить температурное поле в твердом теле (в любой точке и в любой момент времени)? Зависит ли от характера граничных условий вид формулы, полученный после решения дифференциального уравнения теплопроводности и описывающей температурное поле?Конвективный теплообмен как совокупность молярного и молекулярного переноса. Основные случаи теплоотдачи: теплоотдача в однофазных жидкостях и при фазовых и химических превращениях, при вынужденной и естественной конвекции. Нужно хорошо представлять сложный характер теплообмена между стенкой и омывающей ее жидкостью, знать классификацию явлений конвективного теплообмена, научиться определять коэффициент теплоотдачи в наиболее характерных случаях конвективного теплообмена.
План
Содержание темы.Содержание темы.Содержание темы.
Введение
Дисциплина "Тепломассообмен" является базовой при подготовке инженеров- теплоэнергетиков. Цель изучения дисциплины — подготовка слушателей к усвоению вопросов тепломассообмена в спецкурсах и к использованию полученных знаний и навыков в профессиональной деятельности.
Задача изучения дисциплины — овладение закономерностями основных процессов переноса теплоты и массы, в частности процессов тепло- и массообмена, протекающих совместно, усвоение основных результатов теоретических и экспериментальных исследований и ознакомление с путями решения современных проблем тепломассообмена, приобретение умений и навыков в проведении тепловых расчетов и решении практических задач, связанных с тепломассообменом в элементах энергетических установок.
Для изучения дисциплины необходимо знание высшей математики, физики, гидродинамики и термодинамики. Слушателям планируется курс лекций объемом 22 ч; самостоятельная работа — 380 ч, включающая освоение текста учебника и выполнение трех контрольных работ; лабораторный практикум — 10 ч, практические занятия — 42 ч; экзамен с включением в экзаменационный билет одной задачи.
В списке рекомендуемой литературы выделены учебник и задачник (основной комплект книг), в которых объем и структура материала в наибольшей степени согласуется с утвержденной программой дисциплины, а приведенные в приложениях справочные данные достаточны, чтобы в полном объеме выполнить расчеты, предусмотренные контрольными заданиями. Именно по этим книгам даны в настоящем пособии методические разработки (библиографические ссылки по темам программы и в разъяснениях к вопросам для самоконтроля) с указанием глав, параграфов и страниц, подлежащих обязательной проработке.
В случае затруднений с приобретением указанных в списке изданий учебника [1] и задачника [2], можно воспользоваться этими же книгами
4 предыдущих изданий. В списке дополнительной литературы приведены наименования книг, которые могут быть использованы для более подробного изучения отдельных тем курса и при решении практических задач, выходящих за рамки учебной программы.
Указания по организации самоконтроля. При изучении дисциплины "Тепломассообмен" большое внимание нужно обратить на самостоятельную работу с учебной литературой. Методические указания преследуют цель — обеспечить единство процессов самостоятельной проработки текста рекомендуемого учебника и самоконтроля за качеством усвоения программного материала дисциплины. По каждой теме программы приводится по 10-14 вопросов. Их форма предусматривает ответ "Да" или "Нет". Количество верных ответов помогает судить о степени подготовленности студента по теме. Для удобства в проведении самоконтроля ответ на вопрос можно вписать в таблицу 1. В случае ошибочных ответов или неуверенности в ответе изучаются пояснения к ответам на вопросы для самопроверки. Вопросы повышенной трудности, на которые нет прямых ответов в учебнике [1], отмечены звездочкой.
Предмет курса, общие понятия. Основные процессы передачи теплоты: теплопроводность, конвективный теплообмен, лучистый теплообмен. Теплопередача. Теплоотдача.
Макроскопический характер учения о теплообмене: условия и границы применения макроскопической модели: сплошная среда. Теоретический и экспериментальный методы исследования в теплопередаче. Современные проблемы теплопередачи.
Литература [1 введение] Методические указания.
Последовательное или парtrialьное изучение дисциплин «Термодинамика» и «Тепломассообмен» имеет свою особенность - применение одинаковых буквенных обозначений Q и q при различном их значении в каждой дисциплине. Так, в «Термодинамике» через Q обозначают количество теплоты, подведенное к системе через оболочку. Энергию в единицах СИ выражают в джоулях, кило- и мегаджоулях. Соответственно через q обозначают количество теплоты, 5 подведенное к системе массой 1 кг, и в единицах СИ его выражают, например, в джоулях на килограмм. Однако в курсе «Тепломассообмен» эти же обозначения применяют для обозначения мощности потоков теплоты. Через Q обозначают мощность теплового потока через границу тела (называемую для краткости просто тепловым потоком), которую выражают в ваттах. Соответственно через q обозначают поверхностную интенсивность мощности теплового потока (называемую для краткости плотностью теплового потока),которую выражают в ваттах на квадратный метр Общее же количество теплоты, прошедшее сквозь границу тела, в рекомендуемом учебнике [1] обозначают через Q и выражают в
? джоулях.
Вопросы для самопроверки.
В. 1. Верно ли, что между стенками, разделенными слоем газа, может существовать как конвективный теплообмен, так и теплообмен излучением? (Да, нет).
В.2. Является ли теплообмен между Солнцем и планетами примером сложного теплообмена? (Да, нет).
В.3. Является ли перенос теплоты через стекло примером сложного теплообмена? (Да, нет).
В.4. Возможен ли конвективный теплообмен в твердом теле? (Да, нет). В.5. Является ли конвективная теплоотдача элементарным процессом? (Да, нет).
В. 6.Является ли процесс теплопередачи элементарным процессом? (Да, нет). В. 7. Возможно ли явление массообмена при отсутствии конвекции? (Да, нет). В. 8. Из двух единиц - ватт и джоуль, является ли ватт единицей тепловой мощности? (Да, нет).
В. 9. Отличаются ли единицы электрической мощности и потока теплоты? (Да, нет). В.10. Можно ли выражать плотность теплового потока в килокалориях на квадратный метр? (Да, нет).
6
Тема 1. Основные положения теории теплопроводности
Содtrialие темы.
Механизм процесса теплопроводности в газах, жидкостях, металлах, твердых диэлектриках. Температурное поле. Тепловой поток и плотность теплового потока. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности, его зависимость от различных факторов. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности. Краевые условия для процесса теплопроводности; граничные условия первого, второго, третьего и четвертого рода. Закон Ньютона-Рихмана для теплоотдачи.
Литература: [1,гл.1] Методические указания.
При изучении дифференциального уравнения теплопроводности Фурье обратить внимание, что его вывод основан на законе сохранения энергии, на законе теплопроводности Фурье и на допущении о постоянном значении коэффициента теплопроводности, которые и определяют существо этого уравнения и область его применения. В исходном уравнении [1, с.16 (1-22)] допущено отступление от принятых в книге обозначений: вместо DQ и DQ2
1 следовало бы написать DQ 1 и DQ 2 , а вместо DQ - величину DU или DH. Вопросы для самопроверки.
?
?
1.1.Могут ли изотермические поверхности пересекаться? (Да, нет). 1.2.Могут ли изотермические поверхности быть замкнутыми? (Да, нет).
1.3.Из двух противоположных утверждений (gradt ?изотерме; gradt ?? изотерме) является ли правильным именно второе? (Да, нет).
1.4.Достаточно ли знать градиенты температурного поля, чтобы определить разность температур между точками поля? (Да, нет).
1.5.Достаточно ли знать продолжительность нагрева и количество теплоты, подведенной за это время к телу произвольных размеров, чтобы определить плотность теплового потока на поверхности тела? (Да, нет).
7
1.6.Могут ли быть одинаковыми истинная и средняя плотности теплового потока? (Да, нет).
1.7.Может ли средняя объемная мощность внутренних источников теплоты быть равной дивергенции потока теплоты? (Да, нет).
1.8.Могут ли быть выражены в одинаковых единицах плотность теплового потока и объемная мощность внутренних источников теплоты? (Да, нет).
1.9.Возможна ли дивергенция потоков теплоты при отсутствии внутренних источников (приемников) теплоты? (Да, нет).
1.10. Можно ли рассматривать дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье как одну из форм закона сохранения энергии? (Да, нет).
1.11. Можно ли применить уравнение Лапласа к анализу процессов нестационарной теплопроводности? (Да, нет).
1.12. Входят ли физические параметры тела в состав условий однозначности, необходимых для решения дифференциального уравнения теплопроводности? (Да, нет).