Тепломассообмен. Теория тепломассообмена: Курс лекций

Министерство образования Российской Федерации

Филиал государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

“Московский энергетический институт” (технический университет)

в городе Волжском

Кафедра промышленной теплоэнергетики

В.С. Кузеванов

Тепломассообмен

Курс лекций за IV семестр

Волжский 2003

Тепломассообмен

Теория тепломассообмена

  Теория тепломассообмена содержит отдельные разделы:

-  теория теплопередачи

-  теория массообмена

-  теория теплопроводности

Терминология. Общее представление о передачи тепла.

  Энергия, переносимая в результате разности температур – есть тепло:

                                                              [Дж]

Поток тепла: Q[Вт]- энергия, переносимая в единицу времени.

Плотность теплового потока: q[Вт/м²]

q_l – линейная плотность теплового потока [Вт/м].

q_v – объёмная плотность теплового потока (мощность внутренних источников теплоты) [Вт/м³].

Масса:  [кг].

Поток массы: М  [кг/с].

Плотность потока массы: j[кг/(м²с)];     j_l[кг/(м с)];     j_v  [Вт/(м³с)].

  Поток субстанции – это поток массы, поток тепла, либо одновременно и массы и тепла.

  Определение процесса переноса тепла и массы может производиться двумя методами:

1)  Феноменологический

  При этом подходе микроскопический механизм взаимодействия частиц, составляющих тело, не рассматривается, описываются макроскопические параметры, которые поддаются измерениям, с помощью физических приборов.

Все вышеуказанные теории относятся к феноменологическому подходу.

  Феноменологический подход опирается на интегральные законы сохранения (энергии, массы, неразрывности и т.д.).

  Для конкретного описания любого процесса требуются замыкающие отношения, краевые условия, начальные условия. В замыкающих отношениях существуют эмпирические коэффициенты, получаемые из опыта.

  На примере теории тепломассообмена укажем, что ещё нужно для описания процесса.

1) Модель среды.

  Как правило, принимают модель сплошной среды или гипотезу сплошности.

Сплошная среда – среда с непрерывным изменением параметров от точки к точке в любом направлении. Параметры среды – это наиболее существенные для данного круга явлений физические характеристики среды.

Пример:V,F (площадь), l (характеризующий размер среды) – это всё внешние параметры среды.

 r, c, P, t(T) – теплофизические параметры среды.

w, G – внутренние параметры.

  Среда – газообразные, твёрдые, жидкие тела (среды).

2)  Модель процесса или явления.

  Различают физическую и математическую модель.

Физическая модель – это, например, если данную среду мы можем описать как идеальный газ; или если мы полагаем, что тело твёрдое.

 При составлении математической модели в обязательном порядке нужно принимать законы сохранения.

Гипотезы - опираются на опытные данные и используются в совокупности законов сохранения для описания процессов.

  Если обмен энергией осуществляется с изменением внешних параметров среды, то говорят, что совершается работа. Если внешние параметры неизменны, а энергия передаётся, то говорят, что передаётся тепло.

  Если имеет место передача тепла, то этот процесс называют теплообменом; если при этом ещё происходит и обмен массой, то процесс называется тепломассообменом.

  Связь между потоком субстанции и количеством субстанции выражается через отношения:

где:

СРЕДА

- нормаль к поверхности, окружающей                                                           

среду,

F – площадь поверхности, окружающей

среду.

3)  Кинетический подход.

  Этим методом изучается вероятность состояния системы; для этого необходима информация о каждой частице, составляющей систему. На практике мало применим.               
 

Перенос тепла осуществляется тремя способами:

1)  Теплопроводность – перенос тепла в телах или между ними Обусловленный движением микрочастиц тела. Для газов – движением молекул. Для твёрдых тел – движение электронов или нестройные упругие колебания молекул. Для металлов – движение электронов. Для жидкостей - нестройные упругие колебания молекул.

2)  Конвекция – перенос тепла при перемещении объёмов среды. Поскольку происходит передвижение макрообъёмов, то среда является «текучей». Следовательно, процесс конвекции характерен для газов и жидких тел. Поскольку среда состоит из микрочастиц, то конвекция сопровождается теплопроводностью. Конвективный теплообмен – совокупность теплообмена и конвекции.

3)  Излучение (тепловое или радиационное) – процесс передачи тепла с помощью  электромагнитных волн. Особенностью такой передачи тепла является двойное превращение:

        Среда 1                       1                                                         2

     Тепло                             э/м волна                           Тепло

                                                                                                                                       Среда 2