🗊Презентация Теория тепломассообмена

Теория тепломассообмена fpnp@ntimgudt.ru Введение

Литература Основная литература: Б-1.Теплообменные аппараты и приборы в легкой промышленности: Учеб.пособие для студ.учеб.заведений /Б.П.Кондауров, Л.Т.Бахшиева, В.С.Салтыкова и др.; Под ред.проф. А.А.Захаровой. – М.: Издательский центр «Академия». 2003. – 192 с. Дополнительная литература: Б-2. Светлов Ю.В. Метод расчетного анализа массообменных процессов в обуви //Кож.-обув.пром-сть. -2004.№1.-с.45-47 Б-3. Тепломассообменные свойства материалов легкой промышленности /Бахшиева Л.Т., Салтыкова В.С., Александров В.И. и др.//Актуальные проблемы науки, техники и экономики легкой промышленности: Тез.докл.Междунар.науч.-тех.конф. -2000. –с.156-157 Базы данных, Интернет-ресурсы, информационно-справочные и поисковые системы http://www.znanium.com/. Электронный ресурс удаленного доступа Б-4 Кудинов А.А. Тепломассообмен: учебн. Пособие / А.А. Кудинов – М.: Инфра-М, 2012. – 375 с. http://www.znanium.com/bookread.php?book=238920

Разделы Теория массообмена изучает законы распространения и передачи вещества между фазами. Теория теплообмена изучает законы распространения и передачи теплоты между телами.

Теория теплообмена Способы передачи тепла. Закономерности переноса теплоты и количественные характеристики процесса. Плотность теплового потока.

Основные понятия и определения Мера нагретости тела - его температура; Теплота самопроизвольно передается от среды с более высокой температурой к среде с более низкой температурой; Тепловые – процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты; Движущая сила – разность температур ∆t; Количество переданной теплоты - Q, Дж, кДж;

Основные понятия и определения Тепловой поток – Q, Дж/с Плотность теплового потока - количество теплоты, передаваемой через единицу поверхности в единицу времени: Теплообменная поверхность – F, ; Процесс передачи теплоты – установившийся и неустановившийся:

Температурное поле Температурное поле – совокупность мгновенных значений температур всех точек тела в данный момент времени: где x; y; z – координаты произвольной точки тела; τ - текущее время. Стационарное (установившееся) температурное поле, в котором температуры не изменяются во времени. В противном случае температурное поле называется нестационарным. Температурное поле может быть одно-, двух- и трехмерным.

Уравнения температурного поля

Изотермическая поверхность

Градиент температуры Градиент температуры - это вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры. Численно градиент температуры равен производной от температуры по нормали к поверхности:

Теплофизические свойства рабочих тел Теплоемкость с - количество теплоты, необходимой для изменения на 1 градус единичной массы рабочего тела (вещества). В основном при изучении теплопереноса используют теплоемкость при постоянном давлении . Величина с зависит от температуры. Дж/(кгК), кДж/(кгК). Удельная теплота конденсации r (или обратных процессов — испарения, парообразования) - количество теплоты, выделяющейся при конденсации (необходимой для испарения) единичной массы вещества. r в Дж/кг (в таблицах приводится в кДж/кг). Конденсация или кипение индивидуальных веществ происходит при неизменной температуре tкип = const.

Энтальпия ("физическое тепло", которое "несет с собой” тело, поток), Н, h,J, i Дж/кг, кДж/кг. Энтальпию принято отсчитывать от некой температуры t0, при которой принимается Н, h, i = 0. Чаще всего за начало отсчета энтальпии принимают 0 ºС ; в холодильных процессах, дабы не оперировать отрицательными энтальпиями, точку отсчета выбирают ниже (например, -100 °С). В практических расчетах в подавляющем большинстве случаев оперируют разностями энтальпий, поэтому точка отсчета энтальпий и их абсолютные значения роли не играют.

Способы (механизмы) передачи теплоты Теплопроводность – перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их «теплового» движения. Процесс протекает на молекулярном уровне. Само вещество не перемещается вдоль тела- переносится лишь энергия. Конвекция – перемещение в пространстве неравномерно нагретых объемов среды, перенос тепла связан с переносом массы; Тепловое излучение – перенос тепла от одного тела к другому электромагнитными волнами.

Механизм теплопроводности Перенос теплоты теплопроводностью может происходить в любых средах (жидкости, газы, твердые тела). В чистом виде – в твердых телах Теплопроводность в разных средах определяется: ● в газах: перенос кинетической энергии молекул при их хаотическом движении и столкновениях друг с другом ● в жидкостях и твердых диэлектриках: путем упругих колебаний; ● в металлах: перенос энергии свободными электронами.

Механизм конвекции

Тепловое излучение Перенос теплоты осуществляется электромагнитными волнами. Происходит двойное преобразование энергии. Энергия теплового движения молекул преобразуется в энергию электромагнитного излучения. Поглощение электромагнитного излучения другим телом превращает ее в энергию теплового движения молекул. Воздух, через который передается тепловое излучение, практически не нагревается.

Теплообменные процессы Теплопроводность; Лучистый теплообмен; Теплоотдача; Теплопередача

Теплопроводность Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Условия однозначности. Теплопроводность однослойной и многослойной плоской и цилиндрической стенок. Теплоизоляционные материалы.

Теплопроводность Распространение тепла теплопроводностью (закон Био – Фурье): количество тепла, возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных частях тела, прямо пропорционально градиенту температуры, времени проведения процесса и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока.

Закон Био-Фурье dQ= -· dF· gradt·dτ, где dQ – количество тепла, Дж;  - коэффициент пропорциональности, коэффициент теплопроводности, ; grad t – градиент температуры, К/м; dτ – время, с; dF – поверхность теплообмена, перпендикулярная тепловому потоку, .

Коэффициент теплопроводности Коэффициент теплопроводности - физическая характеристика, указывает на способность данного тела проводить тепло. Количественно коэффициент теплопроводности равен количеству тепла, проходящего в единицу времени  через единицу изотермической поверхности F в стационарном температурном поле, при единичном градиенте температур,:

Коэффициент теплопроводности зависит от природы и агрегатного состояния вещества, от температуры и давления. Для газов возрастает с повышением температуры и мало зависит от давления; Для жидкости – уменьшается с увеличением температуры; Для твердых тел – увеличивается с повышением температуры.

Дифференциальное уравнение теплопроводности Уравнение выводится на основе закона сохранения энергии, считая, что тело однородно и изотропно (одинаковость физических свойств). Физические параметры , λ, с – постоянны. Согласно закону сохранения энергии вся теплота, внесенная из вне в элементарный объем путем теплопроводности за время dτ, идет на изменение внутренней энергии вещества в этом объеме:

Дифференциальное уравнение теплопроводности где α – коэффициент температуропроводности, физический параметр вещества, /с; Уравнение гласит – изменение температуры во времени для любой точки тела пропорционально величине α.

Условия однозначности Геометрические – характеризуют форму и размеры тела в котором протекает процесс; Физические – характеризуют физические свойства тела; Временные – характеризуют распределение температуры в начальный момент времени; Граничные – характеризуют взаимодействие тела с окружающей средой

Теплопроводность через плоскую стенку Толщина стенки ; Температура на наружных поверхностях :t1> t2; λ=const; Режим стационарный

dQ= -· dF· gradt·dτ Уравнение теплопроводности для однослойной плоской стенки для стационарного процесса: Уравнение теплопроводности для многослойной плоской стенки:

Уравнение теплопроводности для многослойной плоской стенки

Распределение температур по толщине цилиндрического слоя

Закон теплопроводности для цилиндрического слоя для стационарного режима Уравнение теплопроводности цилиндрической однослойной стенки : Уравнение теплопроводности многослойной цилиндрической стенки:

Лучистый теплообмен Физические основы

Общие понятия лучистого теплообмена Лучистый теплообмен имеет место в ракетной технике, ядерной энергетике, металлургии, гелиотехнике и др. Тепловое излучение – передача внутренней энергии излучающего тела посредством электромагнитных волн, которые характеризуются длиной волны Не все электромагнитные волны относятся к тепловому излучению. Тепловыми лучами являются те из них, которые при попадании на поверхность превращаются в теплоту: видимое излучение (свет) с длиной волны = 0,4 - 0,8 мкм и инфракрасное - с = 0,8 мкм – 0,8 мм.

Лучистый теплообмен Процесс распространения тепла в виде электромагнитных волн. Все тела обладают способностью излучать энергию, поглощать энергию и превращать ее в тепловую. Тепловое излучение имеет одинаковую природу со световым.

Тепловой баланс лучистого теплообмена

В однородном пространстве тепло распространяется прямолинейно; Попадая на тело частично поглощается, частично отражается, частично проходит сквозь тело без изменений: Q0=QA+QR+QD Qл =Qпогл +Qотр +Qпр

Абсолютно черное тело

Модель абсолютно черного тела Сфера Отверстие в шаре Нефтяная Лучистая сажа энергия на входе

Характеристики теплового излучения Лучеиспускательная способность – количество энергии, излучаемой единицей поверхности тела в единицу времени во всем интервале длин волн: E=Qл/(F τ) Лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна абсолютной температуре его поверхности в 4-ой степени (закон Стефана Больцмана): где K0- константа лучеиспускания абсолютно черного тела, с0- коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела

Интенсивность лучистого потока Интенсивность общего лучистого потока зависит от 4-ой степени абсолютной температуры излучающего тела, его излучающей способности и степени черноты серого тела:

Закон Кирхгофа Отношение лучеиспускательной способности тел к их поглощательной способности для всех тел одинаково и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре: E0=Ec/А

Особенности лучистого теплообмена в разных средах Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной спектр излучения, они испускают энергию всех длин волн от нуля до бесконечности. Чистые металлы и газы обладают выборочным (селективным) излучением, испускают энергию с прерывистым спектром. В твердых и жидких телах лучистый теплообмен имеет поверхностный характер, в лучистом теплообмене участвуют лишь поверхностные слои. Газы имеют объемный характер лучистого теплообмена, в нем участвуют все частицы газа.

Чем выше температура излучающего тела, тем в более короткой области длин волн лежит максимум излучения. Лучистый теплообмен становится заметным по сравнению с конвективным при температуре больше 400 С

Лучеиспускательная способность газов зависит от объема, вида газа и температуры в степени 3-3,5; Газы излучают объемом; Газы излучают в определенной части спектра; Лучеиспускательная способность смеси газов ниже, чем отдельного газа.