Тема 5. Основные виды теплообмена

Основные виды теплообмена. Основные понятия и определения: температурное поле, температурный градиент, тепловой поток, плотность теплового потока. Теплопроводность. Гипотеза Фурье. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Условия однозначности. Теплопроводность плоской, цилиндрической и сферической стенки. Контактный теплообмен. Конвективный теплообмен. Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент тепло­отдачи. Связь конвективного теплообмена с картиной гидродинамического течения теплоносителя. Основы теории подобия. Теоремы подобия. Критериальные уравнения. Лучистый теплообмен. Основные определения. Зако­ны излучения абсолютно черного тела: Планка, Вина, Кирхгофа, Стефана-Больцмана. Теплообмен излучением тел различной формы. Теплопередача как вид теплообмена. Коэффициент теплопередачи. Теплопередача через плоскую и цилиндрическую стенки. Способы интенсификации теплопередачи. Теплообменные аппараты, классификация, тепловой и гидравличе­ский расчеты теплообменных аппаратов.

Методические рекомендации

При изучении этого материала студент должен усвоить, что про­цесс переноса теплоты в пространстве возможен при наличии разности температур. Студент должен представлять механизм переноса теплоты в основных видах теплообмена, записать их законы, объяснить физический смысл коэффициентов пропорциональности и их размерность. Следует об­ратить внимание на влияние ряда факторов на коэффициенты пропорцио­нальности. При рассмотрении процесса теплопроводности - учитывать за­висимость теплопроводности от температуры и наличия посторонних при­месей в теле, от наличия контактных термических сопротивлений.

При изучении темы конвективного теплообмена - учитывать влия­ние на коэффициент теплоотдачи теплофизических параметров теплоноси­теля, гидродинамической картины течения, формы, размеров тела и т.д. Студент должен различать понятия локального и осредненного по поверх­ности коэффициента теплоотдачи, а также уметь пользоваться критериаль­ными соотношениями для его нахождения и, опираясь на теорию подобия, обобщать результаты эксперимента в критериальном виде.

При рассмотрении лучистого теплообмена необходимо различать тела по их реакции на падающее извне излучение, знать определение эф­фективного и результирующего излучения. Студент должен знать основ­ные законы излучения для абсолютно черного тела, уметь решать задачу интенсификации лучистого теплообмена тел различной формы.

При рассмотрении процесса теплопередачи студент должен вла­деть понятием лимитирующего звена процесса, знать как оно влияет на уровень теплопередачи для плоской и цилиндрической стенки при решении задач интенсификации теплопередачи и тепловой защиты. Уметь выбирать материал изоляции, пользуясь понятием ее критического диаметра.

При выборе типа теплообменных аппаратов следует помнить, что противоточные теплообменники имеют меньшие массогабаритные харак­теристики по сравнению с прямоточными, а пластинчатые более компакт­ны, чем трубчатые при большей теплопередающей поверхности.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Поясните механизм переноса теплоты посредством теплопроводно­сти, конвективного теплообмена, излучения.

2. Дайте определение и напишите размерность теплового потока, плот­ности теплового потока, температурного градиента.

3. Почему в выражении гипотезы Фурье стоит знак минус?

4. Сформулируйте физический смысл коэффициента теплопроводности.

5. Изобразите распределение температурного поля цилиндрической стенки при различном направлении теплового потока.

6. Каков механизм теплопереноса в зоне стыка? Дайте определение кон­тактного термического сопротивления.

7. Как выглядит распределение температурного поля в многослойной стенке с идеальным и реальным контактом?

8. Напишите выражение закона Ньютона-Рихмана. Сформулируйте фи­зический смысл и напишите размерность коэффициента теплоотдачи.

9. Поясните характер влияния режима течения теплоносителя на уровень теплоотдачи.

10. Что такое естественная теплоотдача? Поясните механизм образова­ния.

11. Основные критерии подобия: Nu, Re, Pr, Gr.Их физический смысл, определяющие и определяемые критерии.

12. Запишите критериальные уравнения для вынужденной и естественной конвекции. Что такое определяющая температура и характерный раз­мер?

13. Поясните, как обобщить результаты эксперимента в критериальной форме. Приведите пример.

14. Что такое абсолютно черное тело? Приведите примеры реальных тел, близких по свойству с абсолютно черным телом.

15. Что такое плотность потока монохроматического излучения, поверх­ностная плотность излучения, поглощательная, отражательная, пропускательная способность?

16. Что такое степень черноты?

17. Напишите закон Стефана-Больцмана.

18. Как можно сократить нагрев изделия в печи излучения?

19. Что такое теплопередача? Напишите формулу расчета теплового по­тока при теплопередаче.

20. Что такое коэффициент теплопередачи, размерность? Понятие о ли­митирующем звене процесса.

21. Сформулируйте основные правила целесообразности оребрения стен­ки.

22. Что называется критическим диаметром тепловой изоляции цилинд­рической стенки? Приведите пример выбора материала тепловой изо­ляции цилиндрической стенки по величине критического диаметра.

23. Нарисуйте эпюру распределения температурного поля в противоточ-ном и прямоточном теплообменнике.

24. Что такое среднерасходная теплоемкость?

25. Какой параметр определяет картину теплопередачи и величину гид­ропотерь?

26. Что такое регенеративный теплообменник? Приведите примеры ис­пользования регенераторов в технике.