Тепломассообмен в элементах теплотехнического Оборудования. Основы тепломассообмена
Покупка
Тематика:
Теплоэнергетика. Теплотехника
Издательство:
Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 215
Дополнительно
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину
В учебном пособии изложены основные положения теории тепломассообмена в объеме, предусмотренном учебным планом дисциплины. Рассматриваются физическая сущность процессов тепломассообмена, математическое описание и получение зависимостей для их расчета. Материал иллюстрируется примерами решения практических задач. В каждом разделе приведены контрольные вопросы, которые помогут обучающимся проверить качество усвоения теоретического материала. Для более глубокого освоения учащимися курса в процессе самостоятельной работы в учебное пособие включен практикум, содержащий набор задач по всем разделам.
Учебное пособие составлено в соответствии с рабочей программой курса «Тепломассообмен в элементах теплотехнического оборудования» для обучающихся по направлению подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ Р.А. ЗЕЙНЕТДИНОВ ТЕПЛОМАССООБМЕН В ЭЛЕМЕНТАХ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ Основы тепломассообмена У Ч Е Б Н О Е П О С О Б И Е для обучающихся по направлению подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2020
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Санкт-петербургский государственный аграрный университет Р.А. ЗЕЙНЕТДИНОВ ТЕПЛОМАССООБМЕН В ЭЛЕМЕНТАХ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ Основы тепломассообмена У Ч Е Б Н О Е П О С О Б И Е для обучающихся по направлению подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2019
УДК 621.1.016.4
ББК 31.31
Зейнетдинов, Р.А. Тепломассообмен в элементах теплотехнического
Оборудования. Основы тепломассообмена: Учебное пособие/ Р.А.
Зейнетдинов. СПб.: СПбГАУ – 2020. – 215 с.
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Эксплуатация
мобильных машин и технологического оборудования» Ульяновского
государственного агарного университета А.Л. Хохлов;
доктор технических наук, доцент кафедры «Автомобили, тракторы и
технический сервис» Санкт-Петербургского государственного агарного
университета Р.Т. Хакимов.
В
учебном пособии изложены
основные положения теории
тепломассообмена
в
объеме,
предусмотренном
учебным
планом
дисциплины.
Рассматриваются
физическая
сущность
процессов
тепломассообмена, математическое описание и получение зависимостей для
их расчета. Материал иллюстрируется примерами решения практических
задач. В каждом разделе приведены контрольные вопросы, которые
помогут обучающимся проверить качество усвоения теоретического
материала. Для более глубокого освоения учащимися курса в процессе
самостоятельной
работы
в
учебное
пособие
включен
практикум,
содержащий набор задач по всем разделам.
Учебное пособие составлено в соответствии с рабочей программой
курса «Тепломассообмен в элементах теплотехнического оборудования»
для обучающихся по направлению подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и
теплотехника».
Рекомендовано Учебно-методическим советом СПбГАУ к изданию и
публикации на электронном носителе для последующего размещения в
электронной сети университета согласно лицензионному договору,
протокол № 9 от 27 июня 2019 г.
Зейнетдинов Р.А., 2020
ФГБОУ ВО СПбГАУ, 2020
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………. 5 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ…………............ 10 1.1. Виды теплообмена………………………………………………... 10 1.2. Теплопроводность………………………………………………… 12 1.3. Дифференциальное уравнение теплопроводности……………... 18 1.4. Краевые условия для процессов теплопроводности……………. 22 Контрольные вопросы……………………………………………. 26 2.ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПРИ СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ 27 2.1. Теплопроводность плоской стенки…………………………….. 27 2.2. Теплопроводность цилиндрической стенки…………………… 31 2.3. Теплопроводность шаровой стенки……………………………. 35 2.4 Примеры решения задач………………………………………… 37 Задания для самостоятельной работы………………………………. 42 Контрольные вопросы………………………………………………… 43 3. ПРОЦЕССЫ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА…… 45 3.1. Основной закон конвективного теплообмена………………… 45 3.2. Уравнения конвективного переноса…………………………… 48 3.3. Основы теории подобия………………………………………… 59 3.4. Теплообмен в жидкостях и газах………………………………. 73 3.5 Примеры решения задач………………………………………… 79 Контрольные вопросы…………………………………………………. 83 4. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ........ 85 4.1. Основные положения……………………………………………. 85 4.2. Теплообмен при кипении …………………………………………….. 86 4.3. Теплоотдача при конденсации пара……………………..……. 98 4.4. Примеры решения задач………………………………………… 109 Задания для самостоятельной работы ……………………………….. 112 Контрольные вопросы…………………………………………………. 113 5. МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ………………………… 114 5.1. Общие определения и понятия…………………………............ 114 5.2 Первый закон Фика………………………………………......... 120 5.3. Второй закон Фика……………………………………………… 124 5.4. Конвективная диффузия………………………………………… 126 5.5. Дифференциальные уравнения массоотдачи………………….. 129
5.6. Дифференциальное уравнение тепломассообмена…………… 134 5.7. Диффузионные критерии подобия……………………………… 136 5.8 Примеры решения задач………………………………………… 139 Контрольные вопросы……………………………………..................... 144 6. ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН………………………………... 146 6.1. Физические основы излучения………………………….……… 146 6.2. Законы лучистого теплообмена для условий равновесной среды……………………………………………………………… 151 6.3. Теплообмен излучением между твердыми телами в прозрачной среде………………………………………………. 159 6.4. Излучение газов и паров………………………………………… 161 6.5 Примеры решения задач………………………………………… 166 Задания для самостоятельной работы ……………………………….. 169 Контрольные вопросы…………………………………..…………….. 170 7. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА…………………………………………… 171 7.1. Описание процесса……………………………………………… 171 7.2. Теплопередача через плоскую стенку…………………………. 173 7.3. Теплопередача через цилиндрическую стенку…………......... 175 7.4. Теплопередача через шаровую стенку………………….…….. 177 7.5. Теплопередача через ребристую стенку………………..…….. 179 7.6. Примеры решения задач……………………………………………. 182 Задания для самостоятельной работы …………………………….... 185 Контрольные вопросы…………………………………..……………. 186 8. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ………………………… 187 8.1. Типы теплообменных аппаратов……………………..……….. 187 8.2. Основные положения теплового расчета……………………… 191 8.3. Средний температурный напор………………………...………. 194 8.4. Расчет конечных температур теплоносителей………………… 196 8.5. Методы интенсификации теплообмена……………………….. 200 8.6. Примеры решения задач………….……………………………. 201 Задания для самостоятельной работы ……………………………….. 203 Контрольные вопросы……….………………………………………. 204 ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................... 205 ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА……………………………. 213
ВВЕДЕНИЕ Процесс переноса энергии в форме теплоты в пространстве с не- однородным полем температуры называется теплообменом. В общем случае теплообмен может вызываться также неоднородностью полей других физических величин, например концентраций (диффузионный термоэффект). Теплота является энергетической характеристикой процесса теплообмена. В отличие от внутренней энергии теплота является функцией процесса, так как количество передаваемой телу (или системе) теплоты зависит не только от начального и конечного состояний тела, но и от вида процесса передачи (сообщения) теплоты. По способу (механизму) переноса теплоты при исследовании сложный процесс теплообмена разделяют на три вида: теплопроводность (кондукцию), конвективный теплообмен и тепловое излучение (радиацию). В действительных процессах все эти три способа теплообмена сопутствуют друг другу и часто связаны с переносом массы (диффузией), т.е. имеет место сложный тепло- и массообмен. При осуществлении теплообмена теплопроводностью перенос теплоты в неравномерно нагретой среде осуществляется при непосредственном соприкосновении частиц тела: путем диффузии атомов, молекул или свободных электронов или путем упругих волн. Конвективный теплообмен состоит в том, что передача теплоты к неравномерно нагретой жидкой, газообразной или сыпучей среде осуществляется вследствие движения частиц среды. Конвективный теплообмен зависит от физических свойств среды и характера ее движения, неразрывно связан с переносом самой среды и всегда сопровождается теплопроводностью. Конвективный теплообмен между потоком жидкости и поверхностью твердого тела называется теплоотдачей. Конвективная теплоотдача часто сопровождается тепловым излучением. В разделе, посвященном конвективному тепло- и массообмену, изложены физическая сущность и характеризующие процесс законы, даются математическое описание процесса и основы тепломассообменной аналогии. Рассматривается использование положений аналогии для расчета конвективного потока массы на поверхностях. Массоперенос в капиллярно-пористых телах в программу курса не входит.
Тепловое излучение это процесс распространения энергии в виде электромагнитного излучения. При этом происходят превращение внутренней энергии первого тела (среды) в энергию излучения, перенос энергии излучения в пространстве и ее поглощение вторым телом (веществом). Тепловое излучение зависит только от абсолютной температуры и оптических свойств излучающего тела. Теплообмен, обусловленный совместным переносом теплоты излу- чением, теплопроводностью и конвекцией, называется радиационно конвективным теплообменом. Если теплота передается теплопроводностью и излучением, то такой вид теплообмена называется радиационно-кондуктивным. Процесс теплообмена между двумя теплоносителями (движущимися средами, используемыми для переноса теплоты), разделенными твердой стенкой, называется теплопередачей. Процессы получения, преобразования, передачи и использования теплоты осуществляются в парогенераторах, тепловых машинах, аппаратах и устройствах различного назначения. При этом теплообмен происходит в жидких и газообразных средах, в чистых веществах и смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих тел и т.п. В зависимости от назначения аппарата теплообмен протекает по-особому и описывается различными уравнениями. Изложение основ теории теплообмена и ее практических приложений в технике является задачей настоящего учебного пособия. В связи с этим, включены разделы, соответствующие трем формам распространения теплоты: теплопроводности, конвективного теплообмена, теплообмена излучением. Многие процессы передачи теплоты сопровождаются переносом вещества (испарение воды в паровоздушную смесь, конденсация пара из парогазовой смеси и др.), фазовыми переходами, химическими реакциями на поверхности тела и в самом теплоносителе. Поэтому изложены такие разделы, как теплообмен при фазовых превращениях, процессы диффузии и конвективный массообмен. В учебном пособии также рассмотрены вопросы теплопередачи через стенки различной формы и особенности расчета теплопередачи в теплообменных аппаратах. Для более широкого изучения предмета в пособии имеется список рекомендуемой литературы.
Изучение теоретического материала, изложенного в учебном пособии, и использование его при выполнении самостоятельных (расчетных) работ по данной дисциплине способствует формированию у обучающихся следующих компетенций: ОПК-1,2, ПК-1-3, 5, 7. ОПК-1: способность формулировать цели и задачи исследования, выявлять приоритеты решения задач, выявлять и создавать критерии оценки. Знать – современные методы и критерии оценки исследований в области соответствующих знаний. Уметь - формулировать цели и задачи исследования, выявлять приоритеты решения задач, выявлять и создавать критерии оценки. Владеть - современными методами выявления приоритетов решения задач и критериями их оценки. ОПК-2: способность применять современные методы исследований, оценивать и представлять результаты выполнения работы. Знать – современные методы исследований и результатов выполнения работы. Уметь - применять современные методы исследований, оценивать и представлять результаты выполнения работы. Владеть способностью применять современные методы исследований, оценивать и представлять результаты выполнения работы ПК-1: способность формулировать задания на разработку проектных решений, связанных с модернизацией технологического оборудования, с мероприятиями по улучшению эксплуатационных характеристик, повышению экологической безопасности, улучшению условий труда, экономии ресурсов. Знать – теплотехническое и теплотехнологическое оборудование, эксплуатационные характеристики, условия труда и экологической безопасности. Уметь - формулировать задания на разработку проектных решений, связанных с модернизацией технологического оборудования, с мероприятиями по улучшению эксплуатационных характеристик, повышению экологической безопасности, улучшению условий труда, экономии ресурсов. Владеть способностью формулировать задания на разработку проектных решений, связанных с модернизацией технологического
оборудования, с мероприятиями по улучшению эксплуатационных характеристик, повышению экологической безопасности, улучшению условий труда, экономии ресурсов. ПК-2: способность к проведению технических расчетов по проектам, технико-экономического и функционально-стоимостного анализа эффективности проектных решений, с использованием прикладного программного обеспечения для расчета параметров и выбора серийного и разработки нового теплоэнергетического, теплотехнического и теплотехнологического оборудования. Знать – прикладное программное обеспечение для расчета параметров и выбора серийного и разработки нового теплоэнергетического, теплотехнического и теплотехнологического оборудования. Уметь - проводить технические расчеты по проектам, технико- экономического и функционально-стоимостного анализа эффективности проектных решений, с использованием прикладного программного обеспечения для расчета параметров и выбора серийного и разработки нового теплоэнергетического, теплотехнического и теплотехнологического оборудования. Владеть - способностью к проведению технических расчетов по проектам, технико-экономического и функционально-стоимостного анализа эффективности проектных решений, с использованием прикладного программного обеспечения для расчета параметров и выбора серийного и разработки нового теплоэнергетического, теплотехнического и теплотехнологического оборудования. ПК-3: способность к разработке мероприятий по совершенствованию технологии производства. Знать – технологию производства. Уметь - разрабатывать мероприятия по совершенствованию технологии производства. Владеть - способностью к разработке мероприятий по совершенствованию технологии производства. ПК-5: способность к определению потребности производства в топливно-энергетических ресурсах, обоснованию мероприятий по экономии энергоресурсов, разработке норм их расхода, расчета потребностей производства в энергоресурсах.
Знать – теплотехническое и теплотехнологическое оборудование производства. Уметь - определять потребность производства в топливно- энергетических ресурсах, обосновывать мероприятия по экономии энергоресурсов, разработке норм их расхода, расчета потребностей производства в энергоресурсах. Владеть - способностью к определению потребности производства в топливно-энергетических ресурсах, обоснованию мероприятий по экономии энергоресурсов, разработке норм их расхода, расчета потребностей производства в энергоресурсах. ПК-7: способность планировать и ставить задачи исследования, выбирать методы экспериментальной работы, интерпретировать и представлять результаты научных исследований в виде отчетов, рефератах, научных публикаций и на публичных обсуждениях. Знать – методы экспериментальной работы, стандарты, технические условия и нормативные документы. Уметь - планировать и ставить задачи исследования, выбирать методы экспериментальной работы, интерпретировать и представлять результаты научных исследований в виде отчетов, рефератах, научных публикаций и на публичных обсуждениях. Владеть - способностью планировать и ставить задачи исследования, выбирать методы экспериментальной работы, интерпретировать и представлять результаты научных исследований в виде отчетов, рефератов, научных публикаций и на публичных обсуждениях.
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ 1.1. Виды теплообмена Понятие теплообмена (теплопередачи) охватывает весь комплекс явлений переноса теплоты между телами или между частями одного и того же тела, обусловленных разностью температур. В общем случае перенос теплоты представляет собой сложное явление, связанное с различными физическими процессами. Различают три основных вида теплообмена: 1. Теплопроводность. 2. Конвективный теплообмен. 3. Лучистый теплообмен. Теплопроводность (кондукция) представляет собою передачу теплоты между непосредственно соприкасающимися частями тела. Теплопроводность не связана с макродвижением тел или частей тела и осуществляется путем передачи энергии от одних элементарных частиц тела к другим вследствие микродвижения этих элементарных частиц. Для газов, например, такими частицами являются молекулы. Молекулы газа в той его части, которая имеет более высокую температуру, обладают большей средней кинетической энергией. При столкновениях молекул газа происходит обмен кинетической энергией, в результате чего теплота передается от более нагретых частей газа к более холодным. В чистом виде теплопроводность имеет место лишь в твердых телах, в газах и жидкостях она сопровождается конвекцией. Конвективным теплообменом называют процесс переноса теплоты в жидкой или газообразной среде с неоднородным распределением температуры и скорости, осуществляемый макроскопическими частями среды при их перемещении. Конвективный теплообмен всегда сопровождается теплопроводностью. В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости или газа, различают: а) конвективный теплообмен при свободном движении среды (свободная, или гравитационная конвекция); б) конвективный теплообмен при вынужденном движении среды (вынужденная конвекция). С в о б о д н а я конвекция имеет место тогда, когда движение
жидкости или газа осуществляется в поле массовых сил при наличии разности плотностей среды в рассматриваемом объеме, что в свою очередь может быть обусловлено неоднородностью температурного поля этого объема. Например, если нагревать сосуд с жидкостью, то частицы жидкости, имеющие более высокую температуру (𝑇2 > 𝑇1), вследствие уменьшения их плотности (𝑇2 < 𝑇1) будут всплывать, т. е. вытесняться более холодными слоями жидкости, и переносить с собой теплоту; в сосуде возникнут конвективные токи. В ы н у ж д е н н а я конвекция имеет место тогда, когда движение жидкости или газа вызвано внешними причинами (насосом, компрессором, вентилятором и т. д.). В одной и той же среде теплообмен при вынужденной конвекции протекает значительно интенсивнее, чем при свободной конвекции, и поэтому в технике при решении вопросов, связанных с необходимостью передачи больших количеств теплоты, используется вынужденная конвекция. Лучистый теплообмен представляет собой перенос теплоты посредством электромагнитного поля. При этом происходит превращение внутренней энергии одного тела (среды) в энергию излучения (энергия фотонов или энергии электромагнитных волн), которая распространяется в пространстве, и, попадая на другие тела, способные ее поглощать, снова превращается во внутреннюю энергию. Тепловое излучение подчиняется основным законам распространения света, т. е. законам отражения, преломления и поглощения. В чистом виде лучистый теплообмен имеет место лишь в условиях глубокого вакуума, например, между поверхностью летательного аппарата, совершающего полет в дальнем космосе, и окружающими его пространством и телами. Чаще же мы имеем дело со всеми тремя видами теплообмена одновременно, т. е. на практике обычно имеет место сложный теплообмен. Для удобства технических расчетов вводятся понятия о двух видах теплообмена, которые называют т еп лоо тдач ей и т е п л о п е р е д а ч е й . Теплоотдачей называют процесс теплообмена, возникающий между твердым телом и омывающей его жидкой или газообразной средой. Теплопередачей называется процесс теплообмена, возникающий между жидкими или газообразными средами, разделенными твердой
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину