Смысловой модуль І. Основы технической термодинамики.

В.В. Карнаух, Ю.В.Пьянкова

 

 

ТЕПЛОТЕХНИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

для изучения модуля и выполнения контрольной работы

для студентов направления подготовки 19.03.04 «Технология продукции и организация общественного питания»

(специализации «Технологии в ресторанном хозяйстве»), образовательного уровня – бакалавр,

заочной формы обучения.

 

 

Донецк

2018

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

ГО ВПО «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭКОНОМИКИ И ТОРГОВЛИ

 имени МИХАИЛА ТУГАН-БАРАНОВСКОГО»

 

Кафедра холодильной и торговой техники

 

 

В.В. Карнаух, Ю.В.Пьянкова

 

ТЕПЛОТЕХНИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

для изучения модуля и выполнения контрольной работы

для студентов направления подготовки

19.03.04 «Технология продукции и организация общественного питания»

(специализации «Технологии в ресторанном хозяйстве»),

образовательного уровня – бакалавр,

заочной формы обучения.

 

УТВЕРЖДЕНО

на заседании кафедры

холодильной и торговой техники

Протокол № 39 от «28» мая 2018 г.

И.о.зав. кафедрой ХТТ _________К.А.Ржесик

ОДОБРЕНО

на заседании Учебно-методического совета

Университета

Протокол № от «»____________ 2018г.

                                                      Председатель _________ Л.А. Омельянович

 

 

Донецк

2018

УДК 621.1.016:536.2 (076.5)

ББК 31.31я73

   К 24

 

Рецензенты:

Поперечный А.Н., докт.техн.наук., проф.;

Кулешов Д.К., канд.техн.наук., доц.

 

Карнаух В.В.

К24 Теплотехника: метод.указ. для изуч. модуля и выполн. контр. раб. для студ. напр. подг. 19.03.04 «Технол.прод. и орган.обществ. питания»(спец. «Технологии в ресторанном хозяйстве»),образ.ур. – бакалавр.,заоч.фор.обуч./ В.В.Карнаух, Ю.В.Пьянкова – Донецк: ГО ВПО «ДонНУЭТ», 2018. – 47с.

 

 

Методические указания содержат программу и перечень тем для самостоятельного изучения дисциплины «Теплотехника», задачи и рекомендации по выполнению домашней контрольной работы, список рекомендуемой литературы и приложения.

Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой учебной дисциплины и системой управления качеством Высшей школы.

 

 

	УДК 621.1.016:536.2(076.5) ББК 31.31я73
ã	В.В.Карнаух, Ю.В.Пьянкова, 2018
ã	ГО ВПО «Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган – Барановского», 2018

 

Содержание

	Стр.
Описание учебной дисциплины (модуля)………………………………………..	4
1 Смысловой модуль 1. Техническая термодинамика ……...…………………	5
1.1 Основные понятия и исходные положения технической термодинамики………………………………………………………..…….	5
1.2 Газовые смеси………………………………………………………...……	6
1.3 Теплоемкость идеальных газов……………………………………..……..	6
1.4 Первый закон термодинамики……………………………………….........	7
1.5 Термодинамические процессы идеальных газов…………………………	9
Контрольные вопросы по тематике смыслового модуля 1…………………..	10
2 Смысловой модуль 2. Реальные газы …….…………………………………….	11
2.1 Реальные газы (пар)..………………………………………………..….....	11
2.2 Влажный воздух…………………………………………………………….	11
2.3 Термодинамика потока рабочего тела………………………………..….	12
2.4 Второй закон термодинамики………………………………………….....	13
2.5 Циклы и рабочий процесс тепловых машин…………………………….	14
Контрольные вопросы по тематике смыслового модуля 2…………………..	15
3 Смысловой модуль 3. Теория тепло- и массообмена …….…………………	16
3.1 Основные понятия и определения………………………………………	16
3.2 Теплопроводность………………………………………………………...	16
3.3 Конвективный теплообмен………………………………………………	17
3.4 Теплообмен излучением………………………………………………….	19
3.5 Теплопередача. Основы расчета теплообменных аппаратов…………..	20
3.6 Массообмен………………………………………………………………	21
Контрольные вопросы по тематике смыслового модуля 3…………………….	23
4 Смысловой модуль 4. Промышленное теплоэнергетическое оборудование	25
4.1 Топливо. Основы процесса горения………………………………..	25
4.2 Котельное оборудование ………………………………………….	26
4.3 Ядерное паропроизводительное оборудование (ЯППО)………….	27
Контрольные вопросы по тематике смыслового модуля 4………………	27
5 Методические указания к выполнению контрольной работы …………….	28
Контрольная работа……………………………………………………………….	28
Приложение А. Таблицы………………………………………………………….	37
Приложение Б. Диаграмма водяного пара…………………………………….…	43
Приложение В. Диаграммы влажного воздуха……………………………………	44
Приложение Г. Система начисления баллов………………………………….…	46
Литература……………………………………………………………………........	47

ОПИСАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ)

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1.1 Основные понятия и исходные положения технической термодинамики

Программа

Предмет технической термодинамики. Рабочее тело. Термодинамическая система и ее виды. Термодинамическое состояние. Параметры состояния. Термодинамические процессы. Теплота и работа как способы передачи энергии. Круговой термодинамический процесс.

Основные (p, v, T) и калорические (u, i, s) параметры состояния, их единицы измерения. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа.

Методические указания. Материал этой темы даёт необходимый комплекс понятий и определений, на базе которых излагаются последующие темы. Поэтому студент должен четко усвоить все указанные понятия и определения. В учебниках достаточно полноценно изложен материал, однако студент должен учиться находить именно главную суть того или иного понятия или определения.Так, например: а) Техническая термодинамика - наука о взаимномпревращении теплоты и работы. б)Теплота и работа - два различных способа передачи энергии, то есть каждому виду энергии (например, тепловой и механической) присуща своя форма (способ) передачи. в) Рабочее тело служит для взаимного преобразования теплоты и работы, потому, что обладает таким свойством, как способность значительно изменять свой объем. Этим свойством обладают газы и пары. Они используются для преобразования механической энергии в тепловую или, наоборот, тепловой - в механическую. г) Физическое состояние рабочего тела в термодинамике определяется тремя основными параметрами: абсолютным давлением p, удельным объемом v и абсолютной температурой T.

После изучения данной темы студент должен твердо знать уравнение состояния Менделеева - Клапейрона для 1 кг, 1 кмоля и любого количества идеального газа (m кг), потому, что на этом уравнении основывается в дальнейшем решения многих практических и теоретических задач.

Уравнение состояния для 1 кг идеального газа:

 

или р = ρRT.                              (1.1)

 

Уравнение состояния для 1 кмоля идеального газа:

или .                       (1.2)

 

Уравнение состояния для любого количества идеального газа:

или .                        (1.3)

где R – удельная газовая постоянная, Дж/(кг × К); V_μ – объем 1 кмоля газа, м³/кмоль; μ – масса 1 кмоля, кг/кмоль; V –объем газа, м³; m – масса газа, кг.

При этом необходимо знать принципиальную отличие удельной газовой постоянной от универсальной газовой постоянной и их взаимосвязь.

Газовые смеси

Программа

Понятие газовых смесей. Основные определения. Основные законы смесей идеальных газов. Способы задания состава газовой смеси. Соотношение между массовыми и объемными долями. Средняя молекулярная масса газовой смеси, способы ее вычисления. Уравнения состояния для газовой смеси и отдельных компонентов. Удельная газовая постоянная смеси.

Методические указания. Основной смысл этой темы базируется на понятии части и целого. Отсюда следует сущность законов газовых смесей (свойство смеси - есть сумма соответствующих свойств компонентов, образующих смесь: А_см = å А_i) и понятие долей (a_i = A_i /A_см). Вычисление удельных величин ( m _см, R_см, v_см , r _см и т.п.) осуществляется через соответствующие величины компонентов и их долей (массовых, объемных, мольных). Например, m _см = å r_i ´ m _I [ кг/кмоль ], R_см= å g_i ´ R_i [ Дж/(кг × К) ], v_см= å g_i ´ v_i [ м³/кг ], r _см = å r_i ´ r _i [ кг/м³ ].

Первый закон термодинамики

Программа

Закон сохранения и превращения энергии. Калорические параметры. Внутренняя энергия. Энтальпия и энтропия как функции состояния тела. Теплота и работа как функции процесса. Выражение теплоты и работы через термодинамические параметры состояния. Рабочая (p - v) и тепловая (T - s) диаграммы. Графическое изображение работы и теплоты.

Первый закон термодинамики, его содержание и формулировки. Две формы аналитического выражения первого закона термодинамики.

Методические указания. Калорические параметры характеризуют тепловым (энергетическим) состоянием тела или системы. Внутренняя энергия u – это энергия хаотического движения молекул тела. Энтальпия i (h) включает в себя энергию движения молекул и работу, которую совершает газ объемом v при внесении его в среду с давлением р (i = u + p × v). Энтропия s характеризует степень теплового взаимодействия тела с окружающей средой. Она изменяется только тогда, когда происходит теплообмен.

При изучении данной темы студент должен понять, что, несмотря на то, что работа и теплота - два различных способа передачи энергии, общее их свойство - передача энергии, оно может происходить только во время процесса - при чередовании параметров состояния рабочего тела. При этом должно быть условие протекания процесса (движущая сила) и его результат - изменение характерной для этого процесса свойства.Так, чтобы происходил теплообмен, нужны тела с разной температурой, то есть температура (Т) является потенциалом, движущей силой теплообмена; чтобы совершалось работа, нужно силовое воздействие, возникающее при разнице давления, то есть давление (р) является потенциалом, движущей силой механического воздействия - работы.

В результате силового взаимодействия происходит изменение объема тела, и оно выполняет работу l = ò p ´ d v.

В результате теплового взаимодействия происходит изменение энтропии тела - передается теплота q = ò T ´ d s (см.рис.1).

 

                а)                                                        б)

 

Рисунок 1 – Графическое определение работы в рабочей (а) и теплоты в тепловой (б) диаграммахпри произвольном термодинамическом процессе 1-2

 

Площадь, ограниченная линией процесса 1-2, осью v и координатами, проведенными на нее из точек 1 и 2, является графическим изображением работы в координатах p - v. Площадь, ограниченная линией процесса 1-2, осью s и координатами, проведенными на нее из точек 1 и 2, является графическим изображением теплоты в координатах T - s. Согласно этому, диаграмма p - v получила название рабочей, а диаграмма T - s – тепловой.

Две формы аналитического выражения первого закона термодинамики:

d q = d u + p × d v,        d q = d i - v × d p.

РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ

Реальные газы (пары)

Программа.

Свойства реальных газов. Уравнение состояния реального газа. Фазовые равновесия и фазовые переходы. Основные понятия и определения для пара. Фазовые диаграммы состояния. Водяной пар. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара на линии насыщения. p-v, T-s и i-s диаграммы водяного пара. Построение термодинамических процессов водяного пара в p-v, T-s и i-s диаграммах. Расчет параметров процессов водяного пара с помощью термодинамических таблиц и i-s диаграммы.

Методические указания. Приступая к изучению этой темы, студент должен четко представлять себе, что расчетные формулы, которые применялись для идеального газа, здесь, как правило, являются недействительными. Для паров нет простого и точного уравнения состояния. Уравнение Ван-дер-Ваальса для реального газа учитывает внутреннее давление газа и силы взаимодействия между молекулами и имеет следующий вид: .Уравнение М.П.Вукаловича и И.И.Новикова имеет более сложный характер, так как учитывает силовые ассоциации и диссоциации молекул: Поэтому процессы реальных газов рассчитываются с помощью диаграмм. Для водяного пара наиболее широкое применение нашла i-s диаграмма, для рабочих тел холодильных машин – T-s и lg p- h диаграммы.

 

Влажный воздух

Программа.

Определение понятия «влажный воздух». Основные характеристики влажного воздуха: абсолютная, максимальная относительная влажность воздуха, влагосодержание, температура точки росы. i-d диаграмма влажного воздуха. Построение основных процессов влажного воздуха (нагрев, охлаждение, сушка влажных материалов в воздухе, смешивание, изменение параметров воздуха в помещении) и их расчет с помощью i-d диаграммы.

Методические указания. Основные трудности усвоения этой темы заключаются в умении строить в i-d диаграмме и рассчитывать процессы влажного воздуха. Если знать уравнение процесса, этот вопрос не вызывает затруднений. Так, нагрев происходит при d-const, при охлаждении влагосодержание остается постоянным до достижения точки росы, после этого дальнейшее охлаждение воздуха приводит к уменьшению влагосодержания (выпадение росы) в результате конденсации водяного пара. Сушка влажных материалов происходит при i-const с понижением температуры воздуха и увеличением влагосодержания. При смешивании воздуха с различными параметрами изменения характеристик влажного воздуха обратно пропорционально смешанным массам (D d₁ / D d₂ = D t₁ / D t₂ = = D i₁/ D i₂=m₂/m₁). График процесса – прямая, соединяющая две точки, соответствующие параметрам воздуха до смешивания. Точка, характеризующая параметры воздуха после смешивания, также находится на этой прямой и делит ее на отрезки в соответствии с массами m₁ и m₂. Причем любой параметр смеси может быть найден из соотношения: A_c=(m₁A₁+m₂A₂)/(m₁+m₂). Процесс изменения параметров воздуха в помещении происходит при постоянном тепловлажностным отношении D i/ D d= e =const. Диаграмма влажного воздуха приведена в приложении В.

Второй закон термодинамики

Программа.

Сущность второго закона термодинамики, его формулировки. Прямые и обратные термодинамические циклы. Прямой и обратный обратимые циклы Карно. Термический КПД и холодильный коэффициент цикла Карно. Теорема Карно.

Методические указания. Второй закон термодинамики указывает направление протекания самопроизвольных тепловых процессов в природе и определяет условия преобразования теплоты в работу, то есть устанавливает максимально возможную границу преобразования теплоты в работу в тепловых машинах. Прямой цикл Карно является «эталоном» при оценке совершенства любых циклов тепловых двигателей. В этом цикле работа расширения будет больше работы сжатия, то есть получается положительная работа. В обратном цикле Карно, наоборот, работа сжатия больше работы расширения: для передачи теплоты от источника с низкой температурой к источнику с высокой температурой расходуется работа. При изучении данной темы студент должен твердо усвоить следующее. Из-за того, что КПД цикла Карно всегда меньше единицы, не зависит от вида рабочего тела и имеет наибольшее значение по сравнению с КПД любых других циклов, ограниченных тем же интервалом температур, то:

• никакими новыми конструкциями тепловых двигателей или применением новых рабочих тел нельзя в цикле всю подведенную теплоту превратить в полезную работу;

• для увеличения КПД нужно стремиться к таким процессам, которые образуют цикл, чтобы средняя температура подвода теплоты была как можно больше, а средняя температура отвода теплоты – как можно меньше.

Характеристиками циклов являются:

термический КПД – для прямого цикла;

холодильный коэффициент (coefficient of performance) – для обратного цикла.

Циклы тепловых машин

Программа.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Рабочий процесс поршневого ДВС. Теоретические циклы ДВС с изохорным, изобарным и со смешанным подводом теплоты. Термический КПД циклов. Изображения циклов в p-v и T-s диаграммах. Анализ циклов. Способы повышения КПД.

Газотурбинные установки (ГТУ).Принципиальная схема, рабочий процесс и теоретический цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты, его изображение в p-v и T-s диаграммах. Термический КПД цикла. Способы повышения КПД газотурбинных установок.

Паросиловые установки (ПСУ). Принципиальная схема, рабочий процесс и теоретический цикл ПСУ (цикл Ренкина), его изображение в p-v, T-s и i-s диаграммах. Термический КПД цикла. Анализ цикла. Пути повышения эффективности ПСУ.

Холодильные машины. Принципиальная схема, рабочий процесс и теоретический цикл воздушной и паровой компрессорных холодильных машин, его изображение в p-v и T-s диаграммах. Холодопроизводительность и холодильный коэффициент цикла. Способы повышения эффективности компрессорных холодильных машин.

Понятие об абсорбционной и пароэжекторной холодильных машинах. Принципиальная схема и рабочий процесс. Преимущества и недостатки теплоиспользующих холодильных машин.

Тепловой насос, его назначение. Цикл теплового насоса. Коэффициент преобразования теплоты.

Методические указания. Прежде чем приступать к изучению этой темы, студент должен ясно себе представлять, что:

• тепловые машины могут работать по прямым циклам – такие машины называются двигателями (ДВС, ГТУ, РД, ПСУ) и по обратным циклам – холодильные машины и тепловые насосы;

• в тепловых машинах, рабочим телом может быть либо газ (продукты сгорания топлива в ДВС, ГТУ, воздуха в компрессорной холодильной машине), или пар (водяной пар в ПСУ, в пароэжекторной холодильной машине, хладоны в паровых компрессорных холодильных машинах). Соответственно первые называются газовыми, вторые – паровыми тепловыми машинами.

В тепловых машинах процессы сжатия и расширения из-за большой скорости можно приниматьадиабатными. Процессы подвода и отвода теплоты в тепловых машинах могут быть разные, но изотермический процесс – энергетически более выгоден.

Успешное усвоение этой темы невозможно без знаний термодинамических процессов идеальных и реальных газов.

 

Контрольные вопросы по тематике смыслового модуля 2.

 

1. Понятие «реальный» газ (пар). Уравнение Ван-дер-Ваальса.

2. Фазовые диаграммы состояния реальных газов.

3. Построение и расчет изохорного процесса реальных газов.

4. Построение и расчет изобарного процесса реальных газов.

5. Построение и расчет изотермического процесса реальных газов.

6. Построение и расчет адиабатного процесса реальных газов.

7. Параметры воздушной среды, определяющие микроклиматические условия.

8. Определение СКВ.

9. Основные характеристики влажного воздуха.

10. Абсолютная, максимальная, относительная влажность, влагосодержание.

11. i - d диаграмма влажного воздуха.Диаграмма ASHRAE.

12. Анализ процесса нагревания влажного воздуха.

13. Анализ процесса охлаждения влажного воздуха.

14. Анализ процесса сушки влажных материалов влажным воздухом.

15. Анализ процесса смешивания влажного воздуха.

16. Второй закон термодинамики, его формулировки.

17. Какой цикл называется идеальным?

18. Почему процессы сжатия и расширения в идеальных циклах тепловых двигателей называются адиабатными?

19. Что такое сопло и диффузор?

20. Какой процесс называется дросселированием? Что такое адиабатное дросселирование?

21. Как изменяются параметры состояния влажного пара при дросселировании?

22. Прямой и обратный циклы Карно. Как определяется эффективность циклов? Что такое «СОР»?

23. Принципиальная схема и цикл карбюраторного ДВС. Как определяется КПД?

24. Принципиальная схема и цикл инжекторного ДВС. Как определяется КПД?

25. Как влияет показатель политропы на конечную температуру газа в одноступенчатом компрессоре?

26. Принципиальная схема и цикл ГТУ. Как определяется КПД ГТУ?

27. Принципиальная схема и цикл ПСУ. Как определяется КПД ПСУ?

28. Принципиальная схема и цикл воздушной холодильной машины. Как определяется СОР?

29. Принципиальная схема и цикл паровой компрессионной холодильной машины. Как определяется СОР?

 

Смысловой модуль 3.

ТЕОРИЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА

3.1 Основные понятия и определения

Программа.

Предмет и задачи теории теплообмена. Значение теплообмена в технологических процессах предприятий питания. Основные понятия и определения теории теплообмена. Теоремы подобия. Виды переноса теплоты (теплопроводность, конвекция, излучение). Критериальные числа и критериальные уравнения теплового подобия. Сложный теплообмен.Массоперенос.

Методические указания. Материал этой темы составляет комплекс определений и понятий, на базе которых излагаются последующие темы раздела. Прежде всего, нужно не забывать, что теплообмен возможен только тогда, когда есть неодинаково нагретые тела или участки тел, то есть движущей силой любого процесса теплообмена является разница температур. Студент должен четко формулировать и понимать такие понятия, как тепловой поток, удельный тепловой поток, температурное поле, изотермическая поверхность, температурный градиент, стационарный и нестационарный режим теплообмена, знать простые и сложные виды теплообмена, массообмен. Важно понимать, что при теплообмене, как и во многих физических процессах, при прямом воздействии – перенос теплоты, имеет противодействие – термическое сопротивление.

Количественная характеристика теплообмена любого вида подчиняется общей закономерности: Плотность теплового потока (удельный тепловой поток) прямопропорциональна разности температур и обратно пропорциональна термическому сопротивлению: .

Различают линейную q_l (Вт/м), поверхностную q_F (Вт/м²), объемную q_v (Вт/м³) плотность теплового потока.

 

Теплопроводность

Программа.

Физическая сущность теплопроводности. Основной закон теплопроводности (закон Фурье). Коэффициент теплопроводности. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности. Условия однозначности.

Теплопроводность плоской однослойной и многослойной стенки при стационарном режиме. Теплопроводность цилиндрической однослойной и многослойной стенки при стационарном режиме.

Методические указания. Физически теплопроводность представляет собой процесс распространения теплоты путем теплового движения микрочастиц (молекул, атомов или электронов) вещества без перемещения, визуально наблюдаемых, самих частиц. В чистом виде теплопроводность имеет место в твердых телах и в неподвижных слоях газа или жидкости (тонких слоях, прилегающих к поверхности твердого тела). Коэффициент теплопроводности – это физическое свойство газа, жидкости или твердого тела которое представляет собой тепловой поток, проходящий через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, который равен единице

,    [ Вт/(м × К) ].                      (3.1)

 

Конечная цель решения задач стационарной теплопроводности – определение теплоты, проходящей через стенку (между внешними изотермическими поверхностями стенки).

, Дж                           (3.2)

 

где R – термическое сопротивление стенки (плоской, цилиндрической, однослойной, многослойной).

Для плоской однослойной стенки , многослойной – .

Для цилиндрической однослойной стенки , многослойной – .

Нестационарная теплопроводность описывается дифференциальным уравнением Фурье:

                                (3.3)

 

где а – коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость изменения температуры в теле, то есть степень теплоинерционных свойств тела (определяется по табл.);Ѳ– оператор Лапласа в декартовой системе координат.

Конвективный теплообмен

Программа.

Физическая сущность конвективного теплообмена. Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Факторы, влияющие на коэффициент теплоотдачи.

Основные положения и определения теории подобия. Условия подобия физических явлений. Числа (критерии) подобия. Критериальные уравнения конвективного теплообмена. Определяемый критерий и определяющие критерии.

Основные положения теории пограничного слоя.

Теплоотдача при вынужденном движении жидкости (вдоль плоской стенки и трубы, при поперечном омовении единичной трубы и пучка труб с коридорным и шахматным расположением, внутри труб). Теплоотдача при свободном движении жидкости в неограниченном и ограниченном объеме около вертикальных и горизонтальных поверхностей.

Теплоотдача при изменении агрегатного состояния жидкости. Теплообмен при пленочной и капельной конденсации на вертикальных и горизонтальных трубах. Влияние на теплообмен присутствующих в паре неконденсированных газов. Теплообмен при пузырьковом и пленочном режимах кипения. Кризис кипения.

Методические указания. Эта тема конечно более трудна в изучении. Трудность заключается в том, что для каждого случая теплообмена требуется знать числовое значение коэффициента теплоотдачи a,который не является физической константой, поскольку характеризует не отдельное тело, а тепловое взаимодействие двух тел – жидкости (или газа) и твердого тела, которые имеют свои конкретные свойства. Коэффициент теплоотдачи – это количество теплоты, отданное в единицу времени единицей поверхности стенки при разности температур между стенкой и жидкостью в 1 К (или градус).

, Вт /(м²К).                            (3.4)

 

Коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин, характеризующих этот процесс.

.

 

Это не позволяет результаты экспериментальных исследований, полученных при определенных условиях, применять в расчетах теплообменных процессов, которые характеризуются другими условиями.

Теория подобия как раз и позволяет результаты экспериментального метода исследования (в частности конвективного теплообмена) переносить (распространять) на класс подобных явлений. Согласно первой теории подобия, у подобных явлений числа подобия численно равны. Числа (константы) подобия– это безразмерные соотношения параметров, характеризующих процесс.

Конвективный теплообмен описывается четырьмя числами подобия: Рейнольдса (), Грасгофа (), Прандтля () и Нуссельта ().

В формулу числа Нуссельта входит числовое значение коэффициента теплоотдачи, поэтому он является числом, которое определяется, так как, зная его значение, можно определить коэффициент теплоотдачи . Другие три числа (критерия)–являются такими, которые определяют, т.е. Nu = f (Re, Gr, Pr), поэтому они называются определяющими.

В общем случае критериальное уравнение конвективного теплообмена имеет вид:

,                         (3.5)

 

где значение с, n, m, b – коэффициенты, зависящие от особенностей условий взаимодействия жидкости и твердой стенки; – учитывает направление теплового потока; – коэффициент, зависящий от отношения длины трубы к диаметру (для плоских поверхностей не учитывается).

При вынужденном движении жидкости Gr = 1, тогда

 

.                           (3.6)

 

При свободном движении жидкости Re = 1, тогда

.                          (3.7)

 

В формулах (3.5) -(3.7) определяющая температура – температура жидкости на расстоянии от стенки, определяющий размер – полная длина стенки по направлению потока (l) или диаметр (d).

 

Теплообмен излучением

Программа.

Общие понятия и определения. Баланс лучевого теплообмена. Основные законы лучистого теплообмена: закон Планка, закон Кирхгофа, закон Вина, закон Стефана-Больцмана, закон Ламберта. Теплообмен излучением между телами. Сводный коэффициент излучения. Защита от излучения.

Методические указания. В процессе теплообмена излучением осуществляется двойное преобразование энергии: сначала на поверхности одного тела тепловая энергия превращается в энергию электромагнитного излучения (лучевую энергию), а затем на поверхности второго тела энергия электромагнитного излучения преобразуется в тепловую энергию. Поскольку тела поглощают только часть энергии электромагнитного излучения (частично отражая или пропуская через себя), основным вопросом при исследовании теплообмена излучением является вопрос о количественном соотношении между отраженной, поглощенной и пропущенной через тело энергией. Понимание этого вопроса позволит грамотно управлять тепловым излучением в нужном для практики направлении.

Спектральное излучение абсолютно черного тела и любого серого тела зависит от температуры и длины волны. Удельный тепловой поток при излучении пропорционален четвертой степени абсолютной температуры

 

,                                (3.8)

 

где Т₁ – абсолютная температура поверхности тела, К; с_о = 5,67 Вт/(м²К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела, e – степень черноты тела.

 

Массообмен

Программа.

Массообмен. Виды диффузии. Диффузионный поток. Уравнение Фика. Физический смысл коэффициента массопереноса. Числа подобия массообмена.

Методические указания.

В теплотехнике массообмен встречается в процессах испарения, конденсации, сушки, вентиляции, кондиционирования воздуха и т.п. Массоотдачей называют перенос массы вещества из ядра фазы к поверхности раздела фаз и наоборот. Движущая сила масообменных процессов может быть выражена в системе жидкость-жидкость разностью объемных концентраций вещества; в системе газ-жидкость – разностью парциальных давлений компонента; в твердых телах – разностью концентраций.

Уравнение массообмена (без учета термо- и бародиффузии):

.                          (3.11)

Исходя из аналогии процессов теплообмена и массообмена, можно:

.                     (3.12)

Числа подобия массообменных процессов имеют структуру, аналогичную структуре чисел подобия процессов теплообмена.

Диффузионное число Нуссельта (число Шервуда Sh), включает искомый безразмерный коэффициент массоотдачи:

.                                (3.13)

Диффузионное число Прантдля (число Шмидта Sc) – критерий подобия скоростных и концентрационных полей в потоке:

,                     (3.14)

где n – коэффициент кинематической вязкости, м²/с; µ – коэффициент динамической вязкости, Па∙с.

Число Гухмана характеризует влияние массообмена на теплообмен: