Задания для практической работы.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №6.

ТЕМА: «ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА».

ЦЕЛЬ: научиться определять интенсивность излучения стенки, тепловой поток от газов к воздуху через кирпичную обмуровку и необходимую толщину тепловой изоляции.

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.

1. Методические указания по выполнению работы.

Справочная литература по ОП 06 «Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики»

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

1. Повторите теоретические положения по теме практической работы.

2. Изучите пример оформления задания.

3. Ознакомитесь с индивидуальным заданием.

4. Решите поставленные задачи.

5. Сделайте выводы о проделанной работе.

6. Оформите отчет и ответьте на контрольные вопросы.

Теоретическая часть

Согласно второму закону термодинамики самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и направлен в сторону уменьшения температуры.

Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Перенос теплоты может передаваться тремя способами:

- теплопроводностью;

- конвекцией;

- излучением (радиацией).

Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит непосредственно при контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный перенос передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть кинетической энергии.

Конвекция- это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости и газа. При этом, перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально. Это вид передачи теплоты сопровождается всегда теплопроводностью. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Это процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или теплоотдачей.

Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн называется излучением (радиацией). Этот процесс происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение электромагнитных волн в пространстве, поглощение излучения другим телом. Совместный теплообмен излучением и теплопроводностью называют радиационно-конвективным теплообменом.

Интенсивность переноса теплоты характеризуется плотностью теплового потока, т.е. количеством теплоты, передаваемой в единицу времени через единичную площадь поверхности. Эта величина измеряется в Вт/м² и обычно обозначается q.

Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества- молекулами, атомами, электронами- в процессе их теплового движения. В жидкостях и твердых телах- диэлектриках- перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества. В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения. В металлах теплопроводность осуществляется главным образом вследствие движения свободных электронов.

В основной зеком теплопроводности входит ряд математических понятий, определения которых, целесообразно напомнить и пояснить.

Температурное поле — это совокупности значений температуры во всех точках тела в данный момент времени.

Согласно основному закону теплопроводности — закону Фурье (1822 г.), вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры:

q = - λ grad t, (8.1)

где λ — коэффициент теплопроводности вещества; его единица измерения, Вт/(м·К).

Знак минус в уравнении (8.1) указывает на то, что вектор q направлен противоположно вектору grad t, т.е. в сторону наибольшего уменьшения температуры.

Перенос теплоты теплопроводностью

Однородная плоская стенка.

Простейшей и очень распространенной задачей, решаемой теорией теплообмена, является определение плотности теплового потока, передаваемого через плоскую стенку толщиной δ, на поверхностях которой поддерживаются температуры t_w1 и t _w2 . (рисунок 8.1).

Рисунок 8.1 - Стационарное распределение температуры по толщине плоской стенки.

Температура изменяется только по толщине пластины - по одной координате х. Такие задачи называются одномерными, решения их наиболее просты, и в данном курсе мы ограничимся рассмотрением только одномерных задач. Учитывая, что для одномерного случая:

grad t = dt/dх, (8.2)

и используя основной закон теплопроводности:

, (8.3)

получаем дифференциальное уравнение стационарной теплопроводности для плоской стенки:

, (8.4)

Тогда, плотности теплового потока, будет иметь следующий вид:

, (8.5)

или мощность теплового потока (тепловой поток):

, (8.6)

При расчете плотности теплового потока q и температуры поверхностей стенки, можно получить уравнение теплопередачи:

где - коэффициент теплопередачи.

Конвективный теплообмен

Понятие конвективного теплообмена включает процессы теплообмена между жидкостью (газом) и твердым телом при их непосредственном соприкосновении.

Тепловой поток при конвективном теплообмене определяется по формуле Ньютона:

Q = α F (t_ж - τ), (8.8)

где α – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м² ⁰С);

t_ж – температура жидкости, ⁰С;

τ - температура поверхности тела, ⁰С;

F – площадь поверхности теплообмена, м².

Если принять F=1м², получим величину удельного теплового потока (плотность теплового потока) q, Вт/м².

В тепловых расчетах также используются различные критерии подобия.

Наиболее важным из них является критерий (или число) Нуссельта Nu. Это безразмерная величина, характеризующая процесс конвективного теплообмена. При известном числе Нуссельта Nu может быть легко вычислен коэффициент теплоотдачи:

где l – характерный размер поперечного сечения потока жидкости (газа).

Число Прандтля Pr – это критерий подобия, характеризующий процессы обмена энергией между частицами жидкости (газа). Его также называют критерием физических свойств вещества, так как он не зависит от внешних факторов, а определяется только свойствами жидкости (газа).

Число Прандтля вычисляется по значениям кинематической вязкости ν и коэффициента температуропроводности а:

Pr = ν/a, (8.10)

Коэффициент температуропроводности а – это комплексный показатель, равный отношению коэффициента теплопроводности жидкости λ к ее удельной теплоемкости при постоянном давлении с_р и плотности ρ:

Теплообмен излучением

Под теплообменом излучением понимается перенос энергии посредством фотонов или электромагнитных колебаний. Количество излучаемой энергии поверхностью тела в единицу времени называется потоком излучаемой энергии Ф_изл, или лучистым потоком, измеряемым в ваттах (Вт).

Если тепловой луч на своем пути встречает какое-нибудь тело, то часть лучистой энергии Ф_излпроникает в это тело, а часть отражается в окружающее пространство. Некоторая доля энергии, проникающая в тело, превращается в тепловую энергию, а остальная проходит сквозь него. Итак, падающий на тело лучистый поток Ф_пад может разделиться на три части: отраженную Ф_отр, поглощенную Ф_погл и пропущенную Ф_пр. Для количественной оценки каждой из этих частей вводят следующие понятия.

Отношение отраженной энергии Ф_отр к энергии Ф_пад, падающей на поверхность тела, называют отражательной способностью тела:

Отношение поглощенной энергии Ф_погл к энергии Ф_пад, падающей на поверхность тела, называют поглощательной способностью тела:

Отношение энергии Ф_пр, прошедшей сквозь тело, к падающей энергии Ф_пад, называют пропускательной способностью тела:

Тогда, в соответствии с законом сохранения энергии A+R+D=1.

Пример решения задачи:

Вариант 30

Определить сопротивление стенки чугунной трубы, если ее толщина δ, а теплопроводность чугуна λ = 39 Вт/(м*⁰С)

Дано: СИ: Решение:

δ = 2 мм 0,002м Сопротивление стенки:

λ = 39 Вт/(м*⁰С) ⁰С

R - ? Ответ: ⁰С

Задания для практической работы.

Основная часть:

№1. Определить сопротивление стенки чугунной трубы, если ее толщина δ, а теплопроводность чугуна λ = 39 Вт/(м*⁰С)

№2. Определить тепловой поток при конвективном теплообмене, если коэффициент теплоотдачи α₂, площадь поверхности составляет F. Температура жидкости t_ж, а температура поверхности стенки τ.

№3 Определить тепловой поток от газов к воздуху через кирпичную обмуровку котла площадью F и толщиной δ’, если температура газов t₁, температура воздуха t₂, коэффициент теплообмена на внутренней поверхности α₁ и коэффициент теплообмена на наружной поверхности α₂ и коэффициент теплопроводности обмуровки λ = 0,81 Вт/(м*⁰С). Определить также температуры обеих поверхностей обмуровки.

№4. Определить критерии подобия Прандтля и Нуссельта, если в трубе длиной l течет вода (коэффициент теплопроводности воды λ = 0,6 Вт/(м*⁰С), и коэффициент теплоотдачи α = 340 Вт/(м²*⁰С)), а удельная теплоемкость составляет с_р = 1,87 кДж/(кг*К). Коэффициент кинематической вязкости воды υ = 96 м²/с.

№5. Падающий на стену лучистый поток с энергией Ф_пад, разделился на энергии: отраженную Ф_отр, поглощенную Ф_погл и пропущенную. Определить:

1) отражательную способность тела

2) Поглощательную способность тела

3) Пропускательную способность тела

4) Проверить соответствие закона сохранения энергии.

Дополнительная часть:

№6. Определить интенсивность излучения стенки с коэффициентом излучения стенки С, если температура поверхности стенки t₁. Определить также степень черноты стенки.

Варианты заданий.

№ п/п	δ, мм	α₁, Вт/(м² ⁰ С)	α₂, Вт/(м² ⁰ С)	F, м²	t_ж, К	τ, ⁰С	δ _’ , мм	t ₁ , ⁰ C	t₂ , ⁰ C	l, км	Ф_пад, кал/ см²	Ф_отр, кал/ см²	Ф_погл кал/ см²	с, Вт/ (м² ⁰ С)
1 вариант	5	20	7,5	142	280	5	295	570	34	1,2	1007	436	473	4,2
2 вариант	3	24,6	7	123	293	6	240	561	27	1,6	1025	447	475	4,3
3 вариант	2	22,9	7,8	149	283	5	236	577	38	1,4	1026	430	472	4,8
4 вариант	2	22,1	7,4	122	296	5	295	600	30	1,1	1029	405	460	4,4
5 вариант	4	24,4	8	147	291	3	258	538	31	1,4	1014	441	479	4,5
6 вариант	2	20,1	7,8	125	283	4	288	503	24	1,5	1015	425	479	4,6
7 вариант	2	20,4	7,1	111	297	3	291	510	30	1,3	1019	427	473	4,2
8 вариант	3	21,2	7	121	296	3	242	572	40	1,4	1027	420	476	4,7
9 вариант	3	21,3	7,9	130	293	5	251	525	30	1,4	1011	422	453	4,3
10 вариант	5	21,5	7,8	115	295	4	245	600	28	1,6	1006	409	463	4,6
11 вариант	3	21,4	7,8	139	280	3	295	501	39	1,6	1007	426	456	4,3
12 вариант	4	22,2	7,3	124	294	3	225	571	22	1,1	1050	416	476	4,2
13 вариант	4	23,8	6,8	121	290	3	232	536	32	1,3	1038	420	452	4,3
14 вариант	5	20,3	8,1	122	287	6	222	536	26	1,3	1017	433	467	4,5
15 вариант	5	23,1	8,3	114	289	3	246	520	31	1,2	1031	418	454	4,8
16 вариант	5	22,7	8,2	141	295	6	296	564	31	1,3	1041	413	459	4,1
17 вариант	5	20,1	8,3	134	299	3	208	598	27	1,1	1001	450	454	4,7
18 вариант	4	24,3	6,9	122	294	6	252	519	38	1,2	1034	407	461	4,8
19 вариант	4	24	7,5	133	291	3	250	520	33	1,6	1009	447	459	4,8
20 вариант	3	20,9	7,5	124	281	6	240	581	24	1,2	1004	434	459	4,8
21 вариант	4	22,6	6,8	137	285	6	216	537	40	1,6	1039	436	455	4,6
22 вариант	4	23,3	7,3	141	296	6	284	506	34	1,3	1017	425	463	4,2
23 вариант	2	22,7	8,2	124	300	5	226	502	32	1,4	1002	406	469	4,3
24 вариант	2	24,5	7,5	150	280	6	248	540	39	1,3	1029	449	462	4,6
25 вариант	3	21,5	7,8	118	285	6	278	528	25	1,4	1006	436	453	4,2
26 вариант	4	24,3	7	137	280	5	200	551	36	1,1	1015	442	479	4,5
27 вариант	5	21,7	7,6	106	289	4	239	551	20	1,5	1037	416	452	4,3
28 вариант	3	20,9	7,6	109	294	6	299	588	21	1,5	1004	408	478	4,8
29 вариант	2	22,4	7,7	138	280	4	221	570	33	1,3	1042	415	450	4,2
30 вариант	2	22,4	7,8	150	284	6	236	594	30	1,5	1013	428	455	4,2

Отчёт о работе должен содержать название и цель работы, задание (номер варианта), правильно оформленные решения. По результатам работы необходимо сделать выводы.

Контрольные вопросы:

1. Назовите три основные виды теплообмена.

2. Объясните механизм обмена энергии в процессе теплопроводности.

3. Объясните процесс теплового излучения.

4. Какой процесс называется теплопередачей?

5. Дайте определение теплового потока.

6. Запишите математическое выражение закона Фурье.

7. Дайте определение конвективного теплообмена.

8. От каких критериев подобия зависит число Нуссельта в случае конвективного теплообмена?

9. Объясните понятие лучистой энергии?

10. Объясните следующие понятия способности тела: поглощательная, отражательная и пропускательная.

Список литературы

Основные источники:

1. Гусев, А. А. Основы гидравлики : учебник для СПО / А. А. Гусев. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Издательство Юрайт, 2018. — 285 с. — (Серия : Профессиональное образование).

Дополнительные источники:

2. Брюханов, О.Н Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики : учебник / О.Н. Брюханов [и др.] – М. : ИНФРА-М, 2018. – 254 с. – (Среднее профессиональное образование).

Интернет-ресурсы:

1. http://firing-hydra.ru/index.php?request=list_category&id=573

Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 437; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!