Основы теории тепломассообмена
Тепломассообмен — учение о процессе распространения тепла и массы в природе. Основы были заложены еще акад. М. В.Ломоносовым, он создал механическую теорию теплоты и установил законы сохранения массы и энергии. В дальнейшем учение о тепломассообмене развивалось как один из разделов технической физики. В XIX веке в связи с изобретением паровой машины, паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания основное внимание уделялось превращению энергии в работу. В дальнейшем в связи с ростом мощности отдельных агрегатов тепловых машин стала возрастать роль процессов тепломассообмена. Этим процессам большое внимание стали уделять и в других отраслях техники - строительной, металлургической, холодильной, машиностроительной, электротехнической, в атомной энергетике, радиоэнергетике и др. Например, тепловые ограничения играют решающую роль при эксплуатации электрических машин и в радиоэлектронных устройствах. Их нагрев лежит в основе многообразных теплофизических процессов, которые могут угрожать жизнеспособности конструкции. При этом опасность повреждения связана не только с уровнем температуры, но и его распределением в пространстве и во времени. Отсюда вытекает необходимость в достоверной и подробной информации о распределении температур в данном агрегате.
Охлаждение высокоэффективных реактивных и газотурбинных двигателей, «тепловой барьер» при больших скоростях движения летательных аппаратов, отвод малых тепловых потоков в атомных реакторах, генерация пара сверхвысоких параметров и другие проблемы новейшей техники расширили область практических приложений теории тепло - и массообмена.
Во многих случаях знания процессов тепло - и массообмена являются определяющим фактором при выборе облика и параметров объекта. Современный уровень развития науки тепло - и массообмена предполагает использование системного подхода к их созданию в том числе и моделированию процессов переноса тепла и массообмена в различных средах и конструкциях.
Правильное применение методов моделирования подразумевает увязку математического и физического (экспериментального) процессов областях на различных этапах проектирования и испытаний.
Знакомство с учебной и монографической литературой показало, что усилиями зарубежных и отечественных ученых и педагогов созданы в течении XX столетия прекрасные пособия, в которых в строгой и доступной форме изложены основы теплообмена (теплопередача) и массообмена. Поэтому авторы считали естественным использовать имеющийся богатый научный и методический опыт. При этом возникает обычный вопрос, зачем публиковать еще одно учебное пособие, когда можно воспользоваться имеющимися книгами. Прежде всего, для освоения предлагаемого материала студенту пришлось бы пользоваться примерно десятью книгами, которые к тому же малодоступны. Во-вторых, в данном учебном пособии использован и современный материал. В-третьих, отдельные разделы могут быть рекомендованы студентам других специальностей, которые сталкиваются с процессами теплообмена. В настоящем учебном пособии из-за ограниченного объема отсутствуют задачи и лабораторные работы, которые студенты решают на практических и лабораторных занятиях. По данным вопросам можно рекомендовать специальные учебные пособия.
Надеемся, что наличие доступного для студентов учебного пособия поможет увеличить эффективность учебного процесса.
Обозначения
t - температура (обычно по шкале Цельсия), °С Т — температура по шкале Кельвина, К At - перепад температур, К
& - перегрев относительно некоторой температуры, К т - время, с
п - нормаль к поверхности,
Q - количество теплоты, Дж
Ф — тепловой поток, Вт
q - плотность теплового потока, Вт/м
W - объемная плотность внутренних источников теплоты, Вт/м А - площадь (поверхности, сечения), м Л - теплопроводность материала, Вт/м. К а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м. К
р - коэффициент объемного расширения, К'1; также температурный коэффициент изменения теплопроводности, К'1 Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/кг. К v - кинематическая вязкость, м /с а - температуропроводность материала, м2/с g - ускорение силы тяжести, м/с и - скорость, м/с (р - угловой коэффициент F - тепловой коэффициент, К/Вт R - тепловое сопротивление, К/Вт 1 - расстояние, геометрический размер, м 8 - толщина, м V - объем, м U - периметр, м.
Подстрочные индексы с - среда
i, j - номер тела, поверхности пр - приведенное значение п — пластина ц - цилиндр ш - шар, сфера
к - конвективная составляющая
л - лучистая составляющая
x, y,z - указывает соответствующее направление
эф - эффективное значение
