Тепломассообмен. Основные законы и механизмы переноса теплоты, импульса и вещества в материальной среде. Теплопроводность: температурное поле; гипотеза Био-Фурье; краевая задача и условия однозначности; частные случаи теплопроводности; стационарный теплообмен

Тепломассообмен

Содержание:

1.  Основные законы и механизмы переноса теплоты, импульса и вещества в материальной среде.

2.  Теплопроводность: температурное поле; гипотеза Био-Фурье; краевая задача и условия однозначности; частные случаи теплопроводности; стационарный теплообмен.

3.  Стационарная теплопроводность многослойной плоской стенки (граничные условия первого рода). Термическое сопротивление.

4.  Стационарная теплопроводность многослойной цилиндрической стенки (граничные условия первого рода). Термическое сопротивление.

5.  Стационарная теплопередача через многослойную плоскую стенку (граничные условия третьего рода). Термическое сопротивление.

6.  Методы интенсификации теплопередачи. Оребрение поверхностей: степень эффективности, приведенный коэффициент теплоотдачи и термическое сопротивление.

7.  Задачи и методы теории подобия. Числа подобия и критериальные уравнения. Инженерный расчет теплоотдачи.

8.  Особенности теплообмена при течении в каналах. Стабилизированная теплоотдача для различных режимов течения.

9.  Теплоотдача и сопротивление при поперечном обтекании пучка гладких (оребренных) труб.

10. Теплообменные аппараты: модели теплообмена при рекуперации и смешивании. Конструктивный расчет рекуператоров.

1. Основные законы и механизмы переноса теплоты, импульса и вещества в материальной среде.

            Тепломассообмен (теплопередача) – наука, которая изучает самопроизвольные неравновесные (необратимые) процессы переноса теплоты, импульса и вещества в материальной среде (пространстве), которые сопровождаются диссипацией энергии, с неоднородным полем температуры.

            Теплота – форма обмена энергией при наличии разности температур между телами.

            Импульс (количество движения) – форма механической энергии (по всему потоку происходит вырождение скоростей).

            Вещество – компонент или фаза с определенными свойствами за счет молекулярной диффузии.

            Теплоноситель – движущаяся среда, используемая для переноса теплоты.

            Причиной переноса всегда является разность потенциалов (разность температур, скоростей, концентраций).

            В соответствии с термодинамикой любая система стремится к равновесию (к выравниванию параметров). Этот процесс релаксации сопровождается диссипацией энергии (рассеивание, обесценивание). Чем больше разность потенциалов, тем больше диссипация.

            Диссипация энергии – это необратимое преобразование кинетической энергии в теплоту, обусловленное работой сил вязкого трения.

            Теплообмен – процесс переноса (распространения) тепла (энергии) за счёт теплового движения микрочастиц или вещества в целом, который возникает лишь при наличии разности температур. Тепловые процессы необратимы (самопроизвольны).

            Основной задачей теории теплообмена является установление взаимосвязи между полем температуры и тепловым потоком.

            Различают следующие виды (механизмы) теплообмена (переноса энергии в форме тепла):

–Теплопроводность (кондукция) – процесс переноса тепла в сплошной среде (в газах, неподвижных жидкостях, твёрдых телах) при неравномерном распределении температуры в них за счёт непосредственного соприкосновения отдельных частиц (или их ансамблей), имеющих различные температуры (молекулярный перенос тепла), что приводит к обмену энергией между этими частицами.

– Конвекция–процесс переноса тепла при перемещении объёмов газов или жидкостей в неизотермическом пространстве, возможна только в текущей среде.

            Естественная (тепловая гравитационная) конвекция – теплообмен от нагретого тела в окружающую среду.

            Теплообмен между движущейся жидкостью или газом и обтекаемой поверхностью твёрдого тела, называется конвективным теплообменом.

            Теплопередача – процесс передачи тепла от одной среды к другой через разделяющую их стенку.

            Контактный теплообмен – теплообмен между двумя соприкасающимися твёрдыми телами.

– Тепловое излучение (тепловая радиация) – процесс распространения тепла фотонным механизмом или путём электромагнитных волн (поля).

– комбинированный теплообмен – одновременно принимают участие несколько механизмов переноса тепла (радиационно-кондуктивный, радиационно-конвективный, конвективный + естественная конвекция).

            В чистом виде эти три механизма могут встречаться нечасто, чаще они протекают совместно, причем вклад каждого механизма будет разным.

            В чистом виде, например, перенос теплоты через твердое тело происходит только за счет теплопроводности (область температур до ). Тепловое излучение в области умеренных температур  проходит только через газовый слой или через слой вакуума.

            Через капельную жидкость тепловое излучение, как правило, не проходит.

            2. Теплопроводность: температурное поле; гипотеза Био-Фурье; краевая задача и условия однозначности; частные случаи теплопроводности; стационарный теплообмен.

            Теплопроводность (кондукция) – процесс переноса тепла в сплошной среде (в газах, неподвижных жидкостях, твёрдых телах) при неравномерном распределении температуры в них за счёт непосредственного соприкосновения отдельных частиц (или их ансамблей), имеющих различные температуры (молекулярный перенос тепла), что приводит к обмену энергией между этими частицами.

            В чистом виде, например, перенос теплоты через твердое тело происходит только за счет теплопроводности (область температур до ).

            Совокупность значений некоторой величины во всех точках рассматриваемого пространства называется полем рассматриваемого пространства. В соответствии с этим существуют поля температур, скорости, плотности и т. д.

            Температура в теле может изменяться в направлении трёх осей координат  Таким образом, существуют одно-, дво- и трёхмерные поля температур.

            В каждой точке среды существует определенное значение температуры, скорости, давления, концентрации и т. д.:

            Это значит, что необходимо применить гипотезу локального термодинамического равновесия.

            Если температурное поле изменяется во времени, то оно называется нестационарным (неустановившимся), а если же температурное поле не изменяется во времени

то оно называется стационарным (установившимся).

            Теплопроводность более точно описывается гипотезой Био-Фурье.

            Если температурное поле стационарно, то семейство изотермических линий или поверхностей остаётся стабильным (не зависит от времени).