Основные виды теплообмена. Основные понятия и определения: температурное поле, температурный градиент, тепловой поток, плотность теплового потока. Теплопроводность. Гипотеза Фурье. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Условия однозначности. Теплопроводность плоской, цилиндрической и сферической стенки. Контактный теплообмен. Конвективный теплообмен. Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Связь конвективного теплообмена с картиной гидродинамического течения теплоносителя. Основы теории подобия. Теоремы подобия. Критериальные уравнения. Лучистый теплообмен. Основные определения. Законы излучения абсолютно черного тела: Планка, Вина, Кирхгофа, Стефана-Больцмана. Теплообмен излучением тел различной формы. Теплопередача как вид теплообмена. Коэффициент теплопередачи. Теплопередача через плоскую и цилиндрическую стенки. Способы интенсификации теплопередачи. Теплообменные аппараты, классификация, тепловой и гидравлический расчеты теплообменных аппаратов.
Методические рекомендации
При изучении этого материала студент должен усвоить, что процесс переноса теплоты в пространстве возможен при наличии разности температур. Студент должен представлять механизм переноса теплоты в основных видах теплообмена, записать их законы, объяснить физический смысл коэффициентов пропорциональности и их размерность. Следует обратить внимание на влияние ряда факторов на коэффициенты пропорциональности. При рассмотрении процесса теплопроводности - учитывать зависимость теплопроводности от температуры и наличия посторонних примесей в теле, от наличия контактных термических сопротивлений.
При изучении темы конвективного теплообмена - учитывать влияние на коэффициент теплоотдачи теплофизических параметров теплоносителя, гидродинамической картины течения, формы, размеров тела и т.д. Студент должен различать понятия локального и осредненного по поверхности коэффициента теплоотдачи, а также уметь пользоваться критериальными соотношениями для его нахождения и, опираясь на теорию подобия, обобщать результаты эксперимента в критериальном виде.
При рассмотрении лучистого теплообмена необходимо различать тела по их реакции на падающее извне излучение, знать определение эффективного и результирующего излучения. Студент должен знать основные законы излучения для абсолютно черного тела, уметь решать задачу интенсификации лучистого теплообмена тел различной формы.
При рассмотрении процесса теплопередачи студент должен владеть понятием лимитирующего звена процесса, знать как оно влияет на уровень теплопередачи для плоской и цилиндрической стенки при решении задач интенсификации теплопередачи и тепловой защиты. Уметь выбирать материал изоляции, пользуясь понятием ее критического диаметра.
При выборе типа теплообменных аппаратов следует помнить, что противоточные теплообменники имеют меньшие массогабаритные характеристики по сравнению с прямоточными, а пластинчатые более компактны, чем трубчатые при большей теплопередающей поверхности.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Поясните механизм переноса теплоты посредством теплопроводности, конвективного теплообмена, излучения.
2. Дайте определение и напишите размерность теплового потока, плотности теплового потока, температурного градиента.
3. Почему в выражении гипотезы Фурье стоит знак минус?
4. Сформулируйте физический смысл коэффициента теплопроводности.
5. Изобразите распределение температурного поля цилиндрической стенки при различном направлении теплового потока.
6. Каков механизм теплопереноса в зоне стыка? Дайте определение контактного термического сопротивления.
7. Как выглядит распределение температурного поля в многослойной стенке с идеальным и реальным контактом?
8. Напишите выражение закона Ньютона-Рихмана. Сформулируйте физический смысл и напишите размерность коэффициента теплоотдачи.
9. Поясните характер влияния режима течения теплоносителя на уровень теплоотдачи.
10. Что такое естественная теплоотдача? Поясните механизм образования.
11. Основные критерии подобия: Nu, Re, Pr, Gr. Их физический смысл, определяющие и определяемые критерии.
12. Запишите критериальные уравнения для вынужденной и естественной конвекции. Что такое определяющая температура и характерный размер?
13. Поясните, как обобщить результаты эксперимента в критериальной форме. Приведите пример.
14. Что такое абсолютно черное тело? Приведите примеры реальных тел, близких по свойству с абсолютно черным телом.
15. Что такое плотность потока монохроматического излучения, поверхностная плотность излучения, поглощательная, отражательная, пропускательная способность?
16. Что такое степень черноты?
17. Напишите закон Стефана-Больцмана.
18. Как можно сократить нагрев изделия в печи излучения?
19. Что такое теплопередача? Напишите формулу расчета теплового потока при теплопередаче.
20. Что такое коэффициент теплопередачи, размерность? Понятие о лимитирующем звене процесса.
21. Сформулируйте основные правила целесообразности оребрения стенки.
22. Что называется критическим диаметром тепловой изоляции цилиндрической стенки? Приведите пример выбора материала тепловой изоляции цилиндрической стенки по величине критического диаметра.
23. Нарисуйте эпюру распределения температурного поля в противоточ-ном и прямоточном теплообменнике.
24. Что такое среднерасходная теплоемкость?
25. Какой параметр определяет картину теплопередачи и величину гидропотерь?
26. Что такое регенеративный теплообменник? Приведите примеры использования регенераторов в технике.
