Коэффициент теплопроводности
Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества, характеризующим его способность проводить теплоту. Коэффициент теплопроводности определяется из уравнения (9.4):
 .
| (9.8)
|
Численно коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты, проходящему в единицу времени через единицу изотермической поверхности при условии gradt=1. Его размерность Вт/(м·К). Значения коэффициента теплопроводности для различных веществ определяются из справочных таблиц, построенных на основании экспериментальных данных. Для большинства материалов зависимость коэффициента теплопроводности от температуры приближенно можно выразить в виде линейной функции
 .
| (9.9)
|
где λ0 — значение коэффициента теплопроводности при температуре t0=0 0С; b — постоянная, определяемая опытным путем.
Наихудшими проводниками теплоты являются газы. Коэффициент теплопроводности газов возрастает с увеличением температуры и составляет 0,006÷0,6 Вт/(м·К). Следует отметить, что верхнее значение относится к гелию и водороду, коэффициент теплопроводности которых в 5—10 раз больше, чем у других газов. Коэффициент теплопроводности воздуха при 0 0С равен 0,0244 Вт/(м·К).
Для жидкости λ=0,07÷0,7 Вт/(м·К) и, как правило, уменьшается с увеличением температуры. Коэффициент теплопроводности воды с увеличением температуры возрастает до максимального значения 0,7 Вт/(м·К) при t=120 0С и дальше уменьшается.
Наилучшими проводниками теплоты являются металлы, у которых λ=20÷418 Вт/(м·К). Самый теплопроводный металл — серебро. Для большинства металлов коэффициент теплопроводности убывает с возрастанием температуры, а также при наличии разного рода примесей. Поэтому коэффициент теплопроводности легированных сталей значительно ниже, чем чистого железа.
Материалы с λ<0,25 Вт/(м·К), обычно применяемые для тепловой изоляции, называют теплоизоляционными. Большинство теплоизоляционных и строительных неметаллических материалов имеют пористое строение, что не позволяет рассматривать их как сплошную среду.
|
24. Уравнение Фурье для одномерного, двумерного и трехмерного температурного поля.
Теплопроводность представляет собой процесс распространения энергии между частицами тела, находящимися друг с другом в соприкосновении и имеющими различные температуры.
Рассмотрим нагрев какого-либо однородного и изотропного тела. Изотропным называют тело, обладающее одинаковыми физическими свойствами по всем направлениям. При нагреве такого тела температура его в различных точках изменяется во времени и теплота распространяется от точек с более высокой температурой к точкам с более низкой. Из этого следует, что в общем случае процесс передачи теплоты теплопроводностью в твердом теле сопровождается изменением температуры Tкак в пространстве, так и во времени:
 ,--------(2.1)
где  — координаты точки;
t — время.
Эта функция определяет температурное поле в рассматриваемом теле. В математической физике температурным полем называют совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек изучаемого пространства, в котором протекает процесс.
Если температура тела есть функция координат и времени, то температурное поле называют нестационарным, т.е. зависящим от времени:
 .--------(2.2)
Такое поле отвечает неустановившемуся тепловому режиму теплопроводности.
Если температура тела есть функция только координат и не изменяется с течением времени, то температурное поле тела называют стационарным:
 .--------(2.3)
Уравнения двухмерного температурного поля для режима стационарного:
 ;--------(2.4)
нестационарного:
 .--------(2.5)
На практике встречаются задачи, когда температура тела является функцией одной координаты, тогда уравнения одномерного температурного поля для режима стационарного:
 ;----(2.6)
нестационарного:
 .----(2.7)
Одномерной, например, является задача о переносе теплоты в стенке, у которой длину и ширину можно считать бесконечно большой по сравнению с толщиной.
| 37. Теплообменные аппараты. Классификация теплообменных аппаратов. Логарифмический температурный напор в теплообменном аппарате.
ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Устройство, в котором происходит процесс нагревания или охлаждения, т. е. осуществляется переход теплоты от одного теплоносителя к другому, называют теплообменным аппаратом.
По принципу действия теплообменные аппараты разделяют на рекуперативные, регенеративные, смешивающего типа и с внутренним тепловыделением.
В рекуперативных аппаратах (подогревателях) передача теплоты от греющего (горячего) к нагреваемому (холодному) теплоносителю происходит непрерывно через разделяющую их стенку. Примером такого аппарата может служить водоводяной подогреватель (рис. 1), в котором нагреваемая вода движется внутри трубок 6, закрепленных в трубных досках 3, а в пространство между трубками, ограниченное кожухом 4, поступает горячая вода. Она передает через стенки труб теплоту холодной воде.
В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность омывается попеременно, то греющим, то нагреваемым теплоносителем (например, в насадках доменной печи). Так как в рекуперативных и регенеративных подогревателях процесс передачи теплоты всегда связан с поверхностью нагрева, то эти аппараты называют также поверхностными.
Процесс теплоотдачи в аппаратах смешивающего типа происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. Эти аппараты применяют, например, для охлаждения или нагревания воды в потоке воздуха или газа. К ним относятся башенные охладители (градирни), деаэраторы, скрубберы и др.
В теплообменных аппаратах с внутренним тепловыделением не два, как обычно, а один теплоноситель, при этом теплота выделяется в самом аппарате. По этому принципу работают электронагреватели, ядерные реакторы и другие установки, действие которых связано с выделением теплоты.
В настоящее время наибольшее распространение получили рекуперативные аппараты. При их разработке применяют два вида расчетов: конструктивный, имеющий целью определение поверхности нагрева F проектируемого аппарата, и поверочный - для определения возможностей уже спроектированного аппарата. При расчетах в обоих случаях используют уравнения теплового баланса и теплопередачи
|
| Вопрос 3: Основные формы подвода энергии, рассматриваемые в термодинамике.
1) Теплообмен (в форме теплоты) – характеризуется хаотичным неупорядоченным обменом энергии между системой и окружающей средой.
Q [Дж]; q=Q/m [Дж/кг]– удельная теплота
Теплоту подводимую или отводимую из окружающей среды извне обозначают – Qe;а передаваемую внутри системы из одной части системы к другой – Qi.
2) Работа – любая разновидность подвода или отвода энергии в форме упорядоченного движения частиц.
L [Дж]; l=U/m [Дж/кг] –удельная работа
Разновидности работы:
1) работа деформации
2) работа электрических сил
3) химическая работа
4) фазовые превращения и др.
Термодеформационная система.
Среди различных видов работы особое место занимает работа деформации.
К –число внешних воздействий на термодинамическую систему. При К=2к системе возможен подвод/отвод теплоты, а также подвод/отвод работы деформации, отсюда имеем термодеформационную систему.
Внутренняя энергия.
Совокупность всех видов энергии, содержащая в закрытой термодинамической системе, называется внутренней энергией.
U [Дж]; u=U/m [Дж/кг] –удельная энергия
Классификация тепловых машин.
1) паровая турбина
2) двигатель внутреннего сгорания
3) газовая турбина
4) реактивные двигатели
Рабочее тело.
В технической термодинамике в качестве термодинамической системы выбирают рабочее тело (газы, пары, жидкости), с помощью которых в тепловых машинах осуществляется преобразование энергии теплоты в работу или наоборот. Тогда работа тепловых машин описывается через изменение тепловых параметров рабочего тела.
| Вопрос 4: Основные термодинамические параметры состояния и их измерение. Единицы измерения.
Величины, характеризующие тело в данном состоянии называется параметрами состояния. Они зависят только от текущего состояния системы и не зависят от пути, по которому система пришла в это состояние. Параметры, которые можно измерить, называют основными:
1) абсолютное давление
2) термодинамическая температура
3) удельный объем
Давлениегаза обуславливается совокупностью ударов хаотически движущихся молекул о стенки сосуда, в котором заключен газ, и представляет собой нормальное состояние результирующей силыF,действующую на единицу площади S поверхности стенки .
P=F/S (Н/м2) [Па]
Абсолютное давление – действительное давление в сосуде, измеряется барометром.
Давление, превышающее атмосферное, называется избыточным. Измеряется манометром.
Превышение атмосферного давления над абсолютным называется разряжением (вакуумметрическим). Измеряется вакуумметром.
рa=pизб+рбар; ра=рбар-рвесли рв ниже рбар
Температура количественно характеризует степень нагретости тела, согласно МКТ, чем больше средняя ϑпоступательного движения молекулы вещества, тем выше его температура. Температура является единственным параметром состояния, определяющим направление самопроизвольного процесса теплообмена.
Две основные температурной шкалы:
1)абсолютная термодинамическая температурная шкала Кельвина; началом отсчета этой шкалы является абсолютный ноль-температура при котором прекращается хаотичное движение молекул вещества Т [К]
2) шкала Цельсия; за ноль принята температура плавления льда t [C0]
t=T-273,15
За параметр состояния в термодинамике принимают термодинамическую абсолютную температуру по шкале Кельвина.
Нормальные физические.
Это состояние газа при абсолютном давлении
Ра=101325 Па; Т=273,15 К (0 0С)
Нормальные технические условия.
Ра=98066,5 Па (1ат); t=150 C
| 13 Первый закон термодинамики и следствия из него. Запись первого закона термодинамики через энтальпию. Вечный двигатель первого рода.
В термодинамическом про-се, подведенная теплота в общем случае расходуется на изменение внутренней эненргии и на совершение внешней работы
Q=∆U+L
ф-ла 1го з-на термодин-ки для закрытых систем:
бq=du+pdv
Энтальпия (h) – полная энергия системы связвнная с данным состоянием системы.
H=U+pV [Дж]
h=u+pv [Дж/кг]
ф-ла 1 з-на термод-ки для необратимых процессов:
бq+бтр=dh-Vdp
Вечный двигатель первого рода —двигатель (воображаемая машина), способный бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов. Согласно закону сохранения энергии, все попытки создать такой двигатель обречены на провал.
|
14. Термодинамический цикл. Прямой и обратный циклы. Работа и КПД циклов. Изображение в p-V и T-s координатах.
Круговоротным процессом (циклом) -наз-ся процесс, в рез-те осуществления которого рабочее тело возвращается в начальное состояние состояние.
Термодинамические циклы являются моделями процессов, проходящих в реальных тепловых машинах.
Прямой цикл. (тепловые двигатели)
В этом цикле происходит преобразование теплоты в механическую работу.
Обратный цикл. (Холодильники, теплонасосные установки)
Обратный цикл служат для производства холода или теплоты.
Количесво работы за цикл равно количеству теплоты которым он обменялся с окружающей средой:
Qц=Lц
для прямого цикла:
Lц=L1D2-|L2C1| >0.
для обратного цикла:
Lц=L1D2-|L2C1| <0.
Работа цикла численно равна площади ограничивающего его контуром, на P-V диаграмме
Qц=Q1-|Q2|>0.
КПД
 
| 17)Термодинамический процесс сжатия воздуха в одноступенчатом поршневом компрессоре. Изображение процесса в p-V и T-s координатах. Работа компрессора и количество теплоты
Компрессор - это машина, предназначенная для сжатия газов и паров. В процессе сжатия повышается давление газо.Рабочий цикл любого идеального одноступенчатого компрессора осуществляемый с 1 кг рабочего тела, можно представить состоящим из трех последовательных процессов.
Первый -обратимый (без трения и других диссипативных эффектов) механический процесс всасывания газа в компрессор. Изменения термодинамических параметров газа при этом не происходит, но его количество увеличивается. Поэтому в координатах P-  он условно изображается штриховой линией а - 1.В диаграмме T- s это точка 1(а). Для поршневого компрессора это соответствует ходу поршня от верхнего мертвого положения (ВМП) до нижнего (НМП) при открытом всасывающем клапане.В процессе всасывания абсолютное давление Р и удельный объем остаются постоянными, а масса m изменяется от 0 до 1 кг.Силы давления Р1, действуя на поверхность поршня компрессора, при его перемещении от ВМП до НМП совершают работу. Работа газа при всасывании получается положительной. Ее величина определяется через элементарную работу газа в равновесных и обратимых процессах в соответствии с выражением  . 
Рис. рис2. Рабочий процесс идеального одноступенчатого компрессора: а - 1 - всасывание; 1 - 2 - сжатие в компрессоре; 2 - b - нагнетание
Второй - обратимый термодинамический процесс 1 - 2сжатия рабочего тела в компрессоре с показателем политропы n, определяемым. Поршень движется по направлению к ВМП, оба клапана закрыты, масса рабочего тела остается неизменной.Сжатие заканчивается при достижении в цилиндре давленияР2,равного давлению потребителя.Работа в этом процессе является отрицательной, так как совершается над газом за счет внешнего привода
 <0 ,(2)
где  - степень повышения давления в компрессоре.
В реальном компрессоре сжатие происходит по политропному процессу с переменным показателем политропы.Для определения работы сжатия берем среднее его постоянное значение, получаемое из уравнения политропы в виде
 .
Третий-обратимый механический процесс 2 - b нагнетания газа в ресивер компрессора.В этом процессе параметры газа остаются неизменными и равными P2 , 2 , и T2 .Масса газа убывает от 1 кг в состоянии 2 до 0 кг в состоянии b (при достижении поршня ВМП). Работа нагнетания получается отрицательной, так как направлена на преодоление сопротивления сил давления в ресивере компрессора
 .
|
18)Термодинамический процесс сжатия воздуха в многоступенчатом поршневом компрессоре. Изображение процесса в p-V и T-s координатах. Работа и теплота, выделяемая при работе многоступенчатого компрессора
Для получения больших конечных давлений используют многоступенчатые компрессоры. При сжатии газов при 1<n<k его температура повышается.
При больших значениях πK могут быть достигнуты температуры, опасные для эксплуатации (может произойти возгорание масла и потеря прочности деталей), поэтому πK ограничивают величинами порядка 4÷6. Применяют многоступенчатое сжатие и промежуточное охлаждение газов между ступенями сжатия.
К1; К2; К3 – ступени сжатия;
ТО1; ТО2 – промежуточные теплообменники.
При конструировании компрессоров стараются обеспечить равномерное распределение работы между ступенями:
lK1=lК2=lK3
Кроме того, πK и n стараются делать одинаковыми. В этом случае изменение температуры газа в каждой ступени также будет одним и тем же:
В промежуточных теплообменниках газ охлаждается до начальной температуры при p=const.
Рабочая диаграмма.
m – число ступеней; если m→∞, то n=1; отсюда, уменьшается требуемая мощность двигателя привода.
1-2; 2'-3; 3'-4 – процессы сжатия в ступенях;
2-2'; 3-3' – охлаждение в теплообменнике.
Наличие теплообменников приближает многоступенчатое сжатие к изотермическому.
Изображение процессов сжатия в тепловой диаграмме:
Вся теплота:
|
| 38)Конструкторский расчет теплообменного аппарата
Методика расчета теплообменных аппаратов
Конструкции теплообменных аппаратов весьма разнообразны, однако существует общая методика теплотехнических расчетов, которую можно применять для частных расчетов в зависимости от имеющихся исходных данных.
Существуют два вида теплотехнических расчетов теплообменных аппаратов: конструкторский (проектный) и поверочный.
Конструкторский расчет производится при проектировании теплообменного аппарата, когда заданы расходы теплоносителей и их параметры. Цель конструкторского расчета определение поверхности теплообмена и конструктивных размеров выбранного аппарата.
Конструкторский расчет состоит из теплового (теплотехнического), гидравлического и механического расчетов.
Последовательность конструкторского расчета. Для выполнения расчета должно быть задано: 1) тип теплообменного аппарата (змеевиковый, кожухотрубчатый, труба в трубе, спиральный и др.); 2) наименование нагреваемого и охлаждаемого теплоносителей (жидкость, пар или газ); 3) производительность теплообменного аппарата (количество одного из теплоносителей, кг/с); 4) начальные и конечные температуры теплоносителей.
Требуется определить: 1) физические параметры и скорости движения теплоносителей; 2) расход нагревающего или охлаждающего теплоносителя на основании теплового баланса; 3) движущую силу процесса, т.е. среднюю разность температур; 4) коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи; 5) поверхность теплопередачи; 6) конструктивные размеры аппарата: длину, диаметр и число витков змеевика, длину, число труб и диаметр кожуха в кожухотрубчатом аппарате, число витков и диаметр корпуса в спиральном теплообменнике и др.; 7) диаметры штуцеров для входа и выхода теплоносителей.
| 25. Граничные условия для уравнения Фурье. (первого, второго, третьего и четвертого рода). Начальное условие задачи нестационарной теплопроводности. Коэффициент теплоотдачи α и влияющие на него факторы.
Граничные условия для уравнения Фурье:
Для получения однородного решения дифф. Уравнения II порядка, необходимо и достаточно присоединить к нему граничные условия.
Процесс нестационарной теплопроводности развивается во времени и пространстве и имеет на ней границы.
Временным краем процесса является, момент которого начало τ=0.
Температурное поле в теле при τ=0, полагают известным.
Т(М)=Т0(М) , М ϵ Ω (Ω-любое абсолютное тело), τ=0.
Т(М)=Т0=const.
Г.У. I рода
Известна температура Тω на поверхности тела
Т(М,τ)=Тω(М, τ)=f1(M, τ), М ϵ Г, τ>0.
В простейшем случае в точках всего процесса темп.одинакова.
Т(М, τ)= Тω, М ϵ Г, τ>0.
Г.У. II рода
Известна плотность теплового потока q.
Q(M,τ)= f2(M, τ), М ϵ Г, τ>0.
Г.У III рода
Тело омывается потоком жидкости( газа) Тf,0, темп. изв. на удаление от тела.
| 26. Стационарная теплопроводность. Вид стационарного температурного поля в пластине и полом цилиндре.
По истечении достаточно длительного времени от начала процесса теплопроводности, температура изменяется в теле во вр.
прекращающ-ся и наступ. режим стационарной теплопроводности.
Когда  , В стационарном тепловом режиме одинаковый тепловой поток, пересекающий любую изотермическую поверхность в теле и ее любую часть ограниченную изотермическими поверхностями.
 стационарный тепловой поток Q(x) через отстоящий на расстоянии от ограниченной плосткости пластины участок изотермической поверхности плотностью F(x), за ед. времени равен:  ;
dT= -  ;  ; 
где с1-поизв. постоянная.
Т.о. опред. температура Т по координате х вне огр. Пластине подчиняется линейному закону.
|
15. Идеальный термодинамический цикл Карно. Изображение в p-V и T-s координатах. Основные параметры цикла.
Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.
Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.
Описание цикла Карно
Цикл Карно в координатах P и V
Цикл Карно в координатах T и S
Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой Tн, холодильника с температурой Tх и рабочего тела.
Цикл Карно состоит из четырёх стадий:
1)Изотермическое расширение (на рисунке — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру Tн, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты Qн. При этом объём рабочего тела увеличивается.
2)Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.
3)Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру Тх, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты Qх.
4)Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.
| 16 Расчет результирующего лучистого потока тепла между телами. Экраны
Расчет результирующего лучистого потока энергии между телами, разделенными прозрачной средой, в общем случае, очень сложен, так как его величина зависит от многих факторов: от формы облучающих друг друга тел, от их взаимного расположения в пространстве, от степени черноты их поверхности и др. Не вдаваясь в детали, укажем на то, что для самого распространенного на практике случая, когда одно тело полностью охватывает другое тело, т.е. когда тело 1 находится в полости, образованной телом 2 (рис. 3.3), результирующий поток лучистого тепла подсчитывается по формуле
 . (3.11)
В формуле (3.11) обозначены: eп – приведенная степень черноты системы тел 1-2, определяемая как
 (3.12)
где e1, F1, TW1 и e2, F2, TW2 – степень черноты, площадь и термодинамическая температура поверхности тел 1 и 2 соответственно; C0 = 5,67 Вт/(м2 К4)– константа излучения Стефана–Больцмана, умноженная на 108.
В формуле (3.12) сомножители единица при 1/e1 и  при  называются коэффициентами облученности первого тела на второе и второго тела на первое соответственно.
| 36. Особенности излучения газов
Одно- и двухатомные газы теоретически прозрачны для теплового излучения. Поэтому, в частности, сухой и чистый воздух, состоящий, в основном, из двухатомных молекул азота и кислорода, также практически прозрачен для теплового излучения. Трехатомные и многоатомные газы этим свойством не обладают и поэтому их присутствие в газовой смеси делает ее полупрозрачной. Находясь при высокой температуре, такая среда может излучать значительное количество энергии, что и наблюдается в печах для нагрева заготовок, в топках котельных агрегатов, в проточной части газотурбинных двигателей (в камере сгорания, в межлопаточном пространстве турбины и сопле) и др. При этом учету подлежит наличие в продуктах сгорания углеводородного топлива углекислотыCO2 и водяного пара H2O, так как содержание SO2 и SO3 обычно бывает пренебрежимо малым.
Излучение чистых газов отличается от излучения твердых тел. Во-первых, поглощение и излучение лучистой энергии газами всегда имеет резко выраженный селективный (выборочный) характер: например, спектр поглощения углекислоты и водяного пара состоит из нескольких полос, в пределах которых эти газы испускают (и поглощают) электромагнитную энергию (рис. 3.6).
Второе отличие излучения газов от излучения твердых тел заключается в том, что у газов оно имеет объемный характер (у твердых тел излучение электромагнитной энергии осуществляется с поверхности), так как нужна чрезвычайно большая толщина газового слоя, чтобы излучаемая глубинными элементами энергия была бы всецело поглощена самим газом и совершенно не проникла бы в окружающую среду.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
