- •Министерство образования и науки
- •Введение
- •1. Основные положения теплопроводности
- •1.1. Температурное поле
- •1.2. Температурный градиент
- •1.3. Основной закон теплопроводности
- •1.4. Коэффициент теплопроводности
- •1.5. Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •1.6. Краевые условия
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 1
- •2. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях первого рода
- •2.1. Теплопроводность через однослойную плоскую стенку
- •2.2. Теплопроводность через многослойную плоскую стенку
- •2.3. Теплопроводность через однослойную цилиндрическую стенку
- •2.4. Теплопроводность через многослойную цилиндрическую стенку
- •2.5. Теплопроводность через шаровую стенку
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 2
- •3. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях третьего рода. Коэффициент теплопередачи
- •3.1. Передача теплоты через плоскую
- •Однослойную и многослойную стенки (теплопередача)
- •3.2. Передача теплоты через цилиндрические однослойную и многослойную стенки
- •3.3. Передача теплоты через шаровую стенку
- •3.4. Передача теплоты через ребристую стенку
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 3
- •4. Конвективный теплообмен
- •4.1. Основы теории конвективного теплообмена
- •Физические свойства жидкостей
- •Режимы течения и пограничный слой
- •4.2. Коэффициент теплоотдачи
- •4.3. Основы теории подобия Основные понятия
- •4.4. Критериальные уравнения
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 4
- •5. Конвективный теплообмен в вынужденном и свободном потоке жидкости
- •5.1. Средняя температура. Определяющая температура.
- •Эквивалентный диаметр
- •5.2. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в трубах
- •5.3. Теплообмен при турбулентном течении жидкости в трубах
- •5.4. Теплообмен при течении жидкости вдоль пластины
- •5.5 Теплообмен при поперечном обтекании одиночной трубы
- •5.6. Теплообмен при поперечном обтекании пучка труб
- •5.7. Конвективный теплообмен в свободном потоке жидкости
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 5
- •6. Теплообмен излучением
- •6.1. Общие сведения о тепловом излучении
- •6.2. Основной закон поглощения
- •6.3. Основные законы теплового излучения
- •6.4. Лучистый теплообмен между твердыми телами
- •6.5. Экраны
- •6.6. Излучение газов
- •6.7. Сложный теплообмен
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 6
- •7. Теплообменные аппараты
- •7.1. Типы теплообменных аппаратов
- •7.2. Основные положения теплового расчета
- •Вопросы для самоконтроля к разделу 6
- •Библиографический список
Физические свойства жидкостей
В качестве жидких теплоносителей в технике применяют различные вещества: воздух, воду, газы, масло, нефть, спирт, ртуть, расплавленные металлы и многие другие. В зависимости от физических свойств этих веществ процессы теплоотдачи протекают различно.
Большое влияние на теплообмен оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности , удельная теплоемкостьс, плотность , коэффициент температуропроводностиа и коэффициент динамической вязкости . Эти параметры для каждого вещества имеют определенные значения и являются функцией температуры, а некоторые из них и давления.
Величины , с, аи уже выше рассматривались. В исследованиях конвективного теплообмена большое значение имеет также вязкость. Все реальные жидкости обладают вязкостью. Между частицами или слоями, движущимися с различными скоростями, всегда возникает сила внутреннего трения (касательное усилие), ускоряющая движение более медленного слоя и тормозящая движение более быстрого. Величина силы тренияS между слоями, отнесенная к единице поверхности, согласно закону Ньютона, пропорциональна градиенту скорости dw/dn по нормали к направлению движения потока. Следовательно, можно записать:
,
где – коэффициент пропорциональности, зависящий от природы жидкости и её
температуры и называемый коэффициентом динамической вязкости, или
коэффициентом внутреннего трения; его единица измерения: Н.сек/м.
Чем больше величина , тем меньше текучесть жидкости. Вязкость капельных жидкостей с увеличением температуры уменьшается и почти не зависит от давления. У газов с увеличением температуры и давления вязкость увеличивается. Коэффициент вязкости идеальных газов не зависит от давления.
Кроме коэффициента динамической вязкости, в уравнениях гидродинамики и теплопередачи встречается коэффициент кинематической вязкости , представляющий собой отношение динамической вязкостик плотности жидкости:
, м/сек.
Коэффициенты , иявляются физическими параметрами, определяются опытным путем и приводятся в справочных таблицах.
Режимы течения и пограничный слой
Теоретическое рассмотрение задач конвективного теплообмена основывается на использовании понятия пограничного слоя, введенного Л.Прандтлем в начале нынешнего столетия.
Рассмотрим процесс продольного омывание какого-либо тела безграничным потоком жидкости с постоянной скоростью течения (рис. 4.1). Вследствие влияния сил трения в непосредственной близости от поверхности тела скорость течения должна очень быстро падать до нуля. Тонкий слой жидкости вблизи поверхности тела, в котором происходит изменение скорости жидкости от значения скорости невозмущенного потока вдали от стенки до нуля непосредственно на стенке, называетсягидродинамическим пограничным слоем (рис. 4.1). Толщина этого слоя возрастает вдоль по потоку.
y Гидродинамический пограничный слой
x
Рис. 4.1
С увеличением скорости потока толщина гидродинамического пограничного слоя уменьшается вследствие сдувания его потоком. Напротив, с увеличением вязкости толщина гидродинамического пограничного слоя увеличивается.
Течение в гидродинамическом пограничном слое может быть как турбулентным, так и ламинарным (рис. 4.2). Характер течения и толщина в нем (и) определяются в основном величиной критерияRe.
y Турбулентное течение
s x
Ламинарное течение Ламинарный подслой
Рис. 4.2
Необходимо отметить, что и в случае турбулентного гидродинамического пограничного слоя непосредственно у стенки имеется очень тонкий слой жидкости, движение в котором имеет ламинарный характер. Этот слой называют вязким, или ламинарным подслоем 3.
Если температуры стенки и жидкости неодинаковы, то вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой, в котором происходит изменение температуры жидкости (рис. 4.3). Вне пограничного слоя температура жидкости постоянна .
y Тепловой пограничный слой
x
Стенка
Рис. 4.3
В общем случае толщины теплового и гидродинамического слоев могут не совпадать (рис. 4.4). Соотношение толщин гидродинамического и теплового пограничных слоев определяется величиной безразмерного критерия Прандтля:
,
где – коэффициент кинематической вязкости жидкости;
а – коэффициент температуропроводности.
Для вязких жидкостей с низкой теплопроводностью (например, масел) критерий Pr >1 и толщина гидродинамического пограничного слоя больше толщины теплового пограничного слоя. Для газов критерий и толщины слоёв приблизительно одинаковы. Для жидких металлов критерийи тепловой пограничный слой проникает в область гидродинамического невозмущенного потока.
Механизм и интенсивность переноса тепла зависят от характера движения жидкости в пограничном слое. Если движение внутри теплового пограничного слоя ламинарное, то тепло в направлении, перпендикулярном к стенке, переносится теплопроводностью. Однако у внешней границы слоя, где температура по нормали к стенке меняется незначительно, преобладает перенос тепла конвекцией вдоль стенки.
При турбулентном течении в тепловом пограничном слое перенос тепла в направлении к стенке в основном обусловлен турбулентным перемешиванием жидкости. Интенсивность такого переноса тепла существенно выше интенсивности переноса тепла теплопроводностью. Однако непосредственно у стенки, в ламинарном подслое, перенос тепла к стенке осуществляется обычной теплопроводностью.
Изменение физических свойств жидкости в пограничном слое зависит от температуры, в связи с чем, интенсивность теплообмена между жидкостью и стенкой оказывается различной в условиях нагревания и охлаждения жидкости. Так, например, для капельных жидкостей интенсивность теплообмена при нагревании будет большей, чем при охлаждении, вследствие уменьшения пограничного слоя. Следовательно, теплоотдача зависит от направления теплового потока.
Очень большое значение для теплообмена имеют форма и размер поверхностей; в зависимости от них резко может меняться характер движения жидкости и толщина пограничного слоя.