Теоретические основы теплотехники. Тепломассообмен (250,00 руб.)

Стр.2

Стр.3

Стр.365

Стр.366

Стр.367

Стр.368

Стр.369

Стр.370

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет Ю. В. Видин, Р. В. Казаков, В. В. Колосов ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ ТЕПЛОМАССООБМЕН Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника» от 25 июня 2014 г. Красноярск СФУ 2015

Стр.2

УДК 621.1.016(07) ББК 35.113-1я73 В421 Рецензенты: В. С. Логинов, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Теоретическая и промышленная теплотехника» Томского национального исследовательского политехнического университета; А. А. Федяев, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика» Братского государственного университета Видин, Ю. В. В421 Теоретические основы теплотехники. Тепломассообмен : учеб. пособие / Ю. В. Видин, Р. В. Казаков, В. В. Колосов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2015. – 370 с. ISBN 978-5-7638-3302-7 Изложены основные разделы теории тепломассообмена: стационарная и нестационарная теплопроводность, тепломассообмен в капиллярнопористых телах и при мелкодисперсном распыливании жидкости, конвективный теплообмен в сплошной среде и при изменении агрегатного состояния. Рассмотрены методики определения интенсивности теплоотдачи в нестационарных условиях, неньютоновских жидкостях, акустическом поле и на поверхностях вращающихся тел. Дан расчет рекуперативных теплообменных аппаратов, численного моделирования процессов прогрева многослойных конструкций лучисто-конвективным теплом. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника». Может быть полезно аспирантам и инженерам теплоэнергетических специальностей. Электронный вариант издания см.: http://catalog.sfu-kras.ru УДК 621.1.016(07) ББК 35.113-1я73 ISBN 978-5-7638-3302-7 © Сибирский федеральный университет, 2015

Стр.3

Теоретические основы теплотехники. Тепломассообмен ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ..................................................................................................... 3 1. Основные положения, законы, понятия теории теплопроводности........................................................................................ 5 1.1. Допущения аналитической теории теплопроводности ...................... 5 1.2. Температурное поле и средняя температура тела .............................. 5 1.3. Изотермические поверхности и линии теплового тока ..................... 7 1.4. Градиент и падение температуры. Основной закон теплопроводности Фурье ...................................................................... 7 1.5. Коэффициент теплопроводности вещества ........................................ 10 1.6. Математическая физика в теории тепломассообмена ....................... 11 1.7. Дифференциальное уравнение теплопроводности ............................. 13 2. Tеплопроводность при стационарном режиме ..................................... 19 2.1. Теплопроводность однослойной плоской стенки ............................... 19 2.2. Теплопроводность однослойной цилиндрической стенки ................ 20 2.3. Принцип наложения температурных полей ........................................ 22 2.4. Теплопередача цилиндра, заложенного в грунт ................................. 23 2.5. Принцип релаксации температурного поля ........................................ 25 2.6. Расчет распространения тепла через кладку квадратного сечения методом релаксации ................................................................ 29 2.7. Графическое изображение теплового потока ..................................... 30 2.8. Расчет распространения тепла через кладку квадратного сечения методом графического изображения теплового потока ...... 35 2.9. Метод итераций ...................................................................................... 37 2.10. Расчет температурного поля в кладке квадратного сечения методом итераций ................................................................................ 38 2.11. Электротепловая аналогия .................................................................. 39 2.12. Применение конформных отображений к решению задач теплопроводности .................................................. 43 2.13. Примеры решения задач теплопроводности с помощью конформных отображений .............................................. 46 2.13.1. Теплопроводность плоской стенки со смещенным началом координат .................................................................. 46 2.13.2. Теплопроводность цилиндрической стенки .......................... 47 2.13.3. Теплопроводность угловой стенки, ограниченной равнобоковой гиперболой ...................................................... 48 2.13.4. Теплопередача пола помещения ............................................. 49 364

Стр.365

Оглавление 2.14. Приложение формул стационарной теплопроводности к процессам теплопередачи .................................. 51 2.14.1. Теплопередача от горячей жидкости к холодной через многослойную плоскую стенку ................................... 51 2.14.2. Теплопередача от горячей жидкости к холодной через многослойную цилиндрическую стенку ..................... 53 2.15. Критический диаметр тепловой изоляции ........................................ 55 2.15.1. Аналитическое исследование термических сопротивлений цилиндрических систем ............................... 55 2.15.2. Графическое исследование термических сопротивлений цилиндрических систем в функции от толщины слоя тепловой изоляции .................................................................. 57 2.15.3. Вывод формулы критического диаметра тепловой изоляции .................................................................. 59 2.16. Теплообмен на оребренной поверхности .......................................... 60 2.16.1. Продольные ребра .................................................................... 60 2.16.2. Радиальные ребра ..................................................................... 68 3. Стационарная теплопроводность при внутреннем тепловыделении ........................................................................................... 71 3.1. Распространение тепла в неограниченной пластине при равномерном внутреннем тепловыделении ................................. 71 3.2. Распространение тепла в бесконечном цилиндре при равномерном внутреннем тепловыделении ................................. 72 3.3. Теплопроводность в стержнях .............................................................. 74 3.3.1. Теплопроводность стержня бесконечной длины .................... 75 3.3.2. Теплопроводность стержня конечной длины ......................... 77 3.4. Распределение тепла при переменном коэффициенте теплопроводности .................................................................................. 77 3.4.1. Плоская стенка............................................................................ 77 3.4.2. Цилиндрическая стенка ............................................................. 79 3.5. Теплопроводность при наличии фильтрации ...................................... 81 3.5.1. Плоская стенка............................................................................ 81 3.5.2. Цилиндрическая стенка ............................................................. 83 4. Нестационарные процессы распространения тепла в твердых телах ........................................................................................... 86 4.1. Общее решение дифференциального уравнения теплопроводности .................................................................................. 86 4.2. Определение температурного поля в неограниченной пластине при конвективном охлаждении ............................................................ 88 4.3. Метод перемножения температурных критериев .............................. 96 365

Стр.366

Теоретические основы теплотехники. Тепломассообмен 4.4. Нагрев тел постоянным тепловым потоком (граничные условия второго рода). Квазистационарный тепловой режим ...................... 102 4.5. Нагрев и охлаждение термически тонких тел конвективным потоком тепла ....................................................................................... 106 4.6. Распространение тепла в полуограниченном пространстве ........... 108 4.7. Температурные волны в полуограниченном пространстве ............. 110 4.7.1. Глубина заметного проникновения температурных волн ... 111 4.7.2. Плотность теплового потока на поверхности ....................... 111 4.7.3. Накопление и расход тепловой энергии ................................ 112 4.8. Определение потока тепла на внутренней поверхности ................. 114 4.9. Аналитическое исследование тепловых процессов при сварке однородного металла электронным лучом .................... 117 4.10. Расчет нестационарной теплопроводности в телах сложной формы .................................................................................. 124 4.10.1. Постановка и классические решения стандартных задач теплопроводности ....................................................... 125 4.10.2. Анализ температурных полей с помощью критериев формы ................................................................... 130 4.10.3. Приближенное моделирование температурных полей тел сложной формы при деформации их поверхности до канонической ........................................ 133 4.10.4. Инженерная методика расчета температурных полей массивных тел сложной формы с несильно меняющимся радиусом кривизны поверхности ................. 138 4.11. Расчет среднемассовой температуры тел сложной геометрической формы в регулярной стадии нагрева ................... 139 5. Массовопроводность капиллярно-пористых тел в изотермическом режиме ....................................................................... 142 5.1. Основные положения теории влагопроводности материалов ............................................................................................ 142 5.2. Дифференциальное уравнение влагопроводности для одномерных плоских тел .............................................................. 143 5.3. Расчетные формулы стационарного и нестационарного режимов влагопроводности для плоской стенки (неограниченной пластины) ................................................................ 145 5.4. Паропроницаемость ............................................................................. 147 5.5. Воздухопроницаемость ....................................................................... 149 5.6. Стационарный процесс одновременного распространения влаги путем влагопроводности и фильтрации в плоской стенке .............. 150 5.7. О стационарном неизотермическом режиме распространения влаги в плоском слое ............................................. 153 366

Стр.367

Оглавление 6. Основы конвективного теплообмена .................................................... 154 6.1. Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена ......... 154 6.2. Первая теорема подобия ..................................................................... 158 6.3. Вторая теорема подобия ...................................................................... 162 6.4. Третья теорема подобия ...................................................................... 165 6.5. Критерии теплового подобия ............................................................. 168 6.6. Эмпирические формулы в критериальном виде ............................... 169 6.7. Гидродинамический и тепловой пограничные слои ........................ 171 6.8. Интегральное соотношение для теплового пограничного слоя ...... 173 6.9. Интегральное соотношение для гидродинамического пограничного слоя ............................................................................... 176 6.10. Теплообмен при ламинарном движении жидкости ........................ 178 6.11. Теплообмен в круглой трубе при постоянной температуре стенки (граничные условия первого рода) ...................................... 180 6.12. Теплообмен в круглой трубе при постоянной плотности теплового потока на стенке (граничные условия второго рода) ... 194 6.13. Теплообмен в круглой трубе при граничных условиях третьего рода ....................................................................................... 200 7. Теплообмен при изменении агрегатного состояния .......................... 209 7.1. Теплообмен при кипении жидкости ................................................... 209 7.2. Теплообмен при конденсации пара .................................................... 213 7.3. Тепловые трубки .................................................................................. 217 8. Явления теплообмена в специфических условиях ............................. 220 8.1. Интенсивность теплоотдачи в нестационарных и стационарных условиях ................................................................... 220 8.2. О неньютоновских жидкостях ............................................................ 221 8.3. Об интенсификации теплоотдачи в акустическом поле .................. 223 8.4. Теплоотдача при распылении воды форсунками промышленных кондиционеров воздуха ........................................... 224 8.5. Теплоотдача вращающихся цилиндров ............................................. 230 8.5.1. Особенности течения жидкости около вращающегося цилиндра ........................................................ 230 8.5.2. Приближенное теоретическое решение задачи о теплоотдаче вращающегося горизонтального цилиндра при свободной конвекции ..................................... 234 8.5.3. Приближенное решение задачи о теплоотдаче вращающегося цилиндра при вынужденной конвекции ..... 239 8.5.4. Экспериментальные исследования теплоотдачи вращающихся цилиндров ....................................................... 241 367

Стр.368

Теоретические основы теплотехники. Тепломассообмен 8.6. Тепломассообмен при течении тонкой пленки вязкой жидкости по поверхности горизонтального вращающегося диска .................. 244 9. Теплообмен излучением ........................................................................... 252 9.1. Основные положения и понятия ........................................................ 252 9.2. Основные законы теплового излучения ............................................ 254 9.3. Лучистый теплообмен между двумя телами с плоскопараллельными поверхностями ........................................... 258 9.4. Лучистый теплообмен между двумя телами, из которых одно находится в полости другого ..................................................... 262 9.5. Лучистый теплообмен между двумя телами, произвольно расположенными в пространстве ....................................................... 267 9.6. Особенности излучения газов............................................................. 269 10. Методы определения взаимных поверхностей лучистого теплообмена ........................................................................... 274 10.1. Аналитический метод ....................................................................... 274 10.2. Графический метод ........................................................................... 275 10.3. Алгебраический метод определения взаимных поверхностей в замкнутой системе тел ................................................................... 278 10.4. Примеры определения взаимных поверхностей (угловых коэффициентов) алгебраическим методом .................... 282 11. Теплообменные аппараты .................................................................... 286 11.1. Общие положения ............................................................................. 286 11.2. Рекуперативные аппараты ................................................................ 286 12. Специальные вопросы теплопередачи ............................................... 303 12.1. Нестационарные процессы распространения тепла в твердых телах при лучистом и сложном теплообмене ............... 303 12.2. Суммарный тепловой поток при разных температурах источников тепла ...................................................... 307 13. Численное моделирование процессов прогрева многослойных конструкций лучисто-конвективным теплом .................................. 310 13.1. Прогрев составных тел при идеальном тепловом контакте между слоями ..................................................................................... 311 13.2. Динамика прогрева составных тел с учетом контактных термических сопротивлений ............................................................ 317 Словарь терминов ......................................................................................... 324 Контрольные вопросы ................................................................................. 328 368

Стр.369

Оглавление Библиографический список ........................................................................ 331 Приложение 1 ................................................................................................. 333 Приложение 2 ................................................................................................. 345 Приложение 3 ................................................................................................. 348 Приложение 4 ................................................................................................. 349 Приложение 5 ................................................................................................. 350 Приложение 6 ................................................................................................. 351 Приложение 7 ................................................................................................. 356 Приложение 8 ................................................................................................. 359 369

Стр.370