Вопросы к экзамену по теплопередаче

Вопросы по курсу «Теплопередача»

1. Механизмы переноса теплоты. Основные виды теплообмена Теплопроводность.

Температурное
поле. Гипотеза Фурье. Теплоотдача и
теплопередача. Коэффициенты

теплоотдачи
и теплопередачи, их физический смысл.

ОТВЕТ

Сложный
процесс переноса теплоты разбивают на
ряд более простых: теплопроводность,
конвекция и теплообмен излучением.
Такой прием упрощает его изучение. Кроме
того, как будет показано ниже, каждый
простой процесс переноса теплоты
подчиняется своим законам.
Различают
молекулярный и конвективный механизмы
переноса теплоты.
Молекулярный перенос
теплоты осуществляется посредством
теплового движения микрочастиц в среде
с неоднородным распределением
температуры.
Конвективный перенос
теплоты осуществляется в среде с
неоднородным распределением скорости
и температуры макроскопическими
элементами среды при их
перемещении.
Теплопроводностьюназывают молекулярный перенос теплоты
в сплошной среде, обусловленный наличием
градиента температуры, [уравнение (1.
3)].Конвективным теплообменомназывают процесс, обусловленный
совместным действием конвективного и
молекулярного переносов теплоты. В
инженерной практике большое значение
имеет частный случай этого способа
переноса теплоты, а именно теплоотдача.Теплоотдачейназывают
конвективный теплообмен между движущейся
средой и поверхностью ее раздела с
другой средой: твердым телом, жидкостью
или газом.Теплообмен излучением— это процесс, который происходит
следующим образом: внутренняя энергия
вещества превращается в энергию излучения
(энергия фотонов или электромагнитных
волн, излучаемых телом или средой), далее
происходит распространение излучения
в пространстве (процесс переноса
излучения), далее энергия излучения
поглощается веществом, которое оказалось
на пути фотонов или электромагнитных
волн.
В природных объектах и инженерных
сооружениях теплота переносится всеми
тремя способами одновременно — такой
процесс называетсятеплопередачей.
Во многих случаях удается выделить
способ, на который приходится большая
часть перенесенной теплоты, и поэтому
упростить метод определения ее
количества.
В тех случаях, когда это
сделать не удается, задача
усложняется.
Теплопередача связана
с весьма сложными процессами и при ее
изучении надо знать законы и методы
анализа, применяемые в физике,
термодинамике, гидрогазодинамике и
химии.

Теплопроводность
это важнейшая техническая характеристика
теплоизоляционного материала.
Количественно теплопроводность
определяется коэффициентом
теплопроводности(λ), выражающим
количество тепла, проходящее через
образец материала толщиной 1 м и площадью
1 м2 при разности температур на
противолежащих поверхностях 1°К за 1
час. На величину теплопроводности
теплоизоляционных материалов оказывают
влияние плотность материала, вид, размеры
и расположение пор (пустот) и т.д. Сильное
влияние оказывает также температура
материала и, особенно, его влажность.

Теплопроводность
вакуума — 0, то есть вакуум не проводит
тепло. Это абсолютный теплоизолятор.

Теплопроводность
воздуха зависит от его температуры и
давления. В большинстве житейских
случаев она колеблется возле отметки
0.02 Вт/(м*K).

Теплопроводность
снега зависит от его состояния. Если он
только что выпал, то его теплопроводность
примерно равна 0.10-0.15 Вт/(м*K), а если уже
слежался, то 0.25-0.4 Вт/(м*K).

Температурным
полем называется совокупность значений
t˚ во всех точках рассматриваемого
пространства (ТВ тела) в каждый
фиксированный момент времени.

t=f(x,y,z,τ) (1)

в данном
случае температура – это скалярная
величина, определяющая степень нагретости
тела в каждой точке.

Различают
стационарное и нестационарное
температурные поля. Ф-ла (1) относится к
неустановившемуся тепловому режиму и
называется нестационарным тепловым
полем. Если тепловой режим явл
установившемся, то температура в каждой
точке тела с течением времени не меняется,
изменяясь лишь от точек к точкам с
разными координатами, такое температурно
поле наз стационарным и t˚ явл функцией
координат по пространству

t=f(x,y,z)
;∂T⁄∂τ=0

Согласно
гипотезе Фурьеколичество
теплоты dQτ, Дж, проходящее через элемент
изотермической поверхности dF за
промежуток времени dτ,
пропорционально температурному
градиенту ∂t⁄∂n:

Коэффициент
теплопередачиявляется
количественной расчетной величиной и
зависит от коэффициентов теплоотдачи,
термического сопротивления стенки и
загрязнений.

Для
плоской стенки

,
(9.28)

где
–
коэффициент теплоотдачи от горячего
теплоносителя, Вт/(м град);–
толщина теплопередающей стенки аппарата,
м;—
коэффициент теплопроводности материала
стенки, Вт/(м град);—
коэффициент теплоотдачи от стенки к
холодному теплоносителю, Вт/(м град);–
термическое сопротивление загрязнения
стенки, м²град/Вт.

Коэффициент
теплоотдачипоказывает,
какое количество теплоты передаётся
от горячего теплоносителя к холодному
через 1 м²поверхности при средней
разности температур в 1 градус за 1 с:

Коэффициент
теплоотдачи зависит от:

—        
скорости жидкости
,
её плотностии
вязкости,
т.е. переменных определяющих режим
течения жидкости,

—        
тепловых свойств жидкости (удельной
теплоёмкости ср, теплопроводности
),
а также коэффициента объёмного расширения,

—        
геометрических параметров – формы и
определяющих размеров стенки (для труб
– их диаметр d и длина L), а также
шероховатости
стенки.

Вследствие
сложной зависимости коэффициента
теплоотдачи
от
большого числа факторов невозможно
получить расчётное уравнение для,
пригодное для всех случаев теплоотдачи,
поэтому для расчётов используют
обобщённые (критериальные) уравнения
для типовых случаев теплоотдачи.

1.Границы применимости термодинамики.

2.Термодинамическая система, внутренняя энергия, формы взаимодействия (теплота и работа), термодинамические степени свободы, термомеханическая система

3.Первое начало термодинамики и его уравнение

4.Характеристики состояния, независимые переменные, функции состояния, параметры состояния

5.Потенциалы и координаты взаимодействия, уравнения состояния, поверхность состояний.

6.Критерии стабильности, уравнение состояния идеального газа

7.Термодинамический процесс. Равновесный (обратимый) процесс. Графическое представление процесса. Уравнение процесса.

8.Наравновесность, необратимость.

9.Выражение работы и теплоты через характеристики состояния. Рабочая и тепловая диаграммы.

10.Зависимость количества теплоты и работы от характера процесса. Основное уравнение термодинамики

11.Теплоемкость. Удельная теплоемкость: массовая, объемная, молярная. Истинная и средняя теплоемкость.

12.Зависимость теплоемкости от характера процесса. Теплоемкости С_р и С_v идеального газа и связь между ними. Вычисление средней теплоемкости для интервала температур.

13.Располагаемая работа, ее выражение через параметры состояния и представление в координатах РV

14.Термодинамические процессы. Понятие политропного процесса. Анализ политропного процесса (в его частных случаях: изохорного, изобарного, изотермического, адиабатного).

15.Особенности термодинамического анализа процессов.

16.Вычисление неизмеряемых функций состояния: внутренней энергии, энтальпии, энтропии идеального газа.

17.Циклы: прямой и обратный. Термический и холодильный кпд. Цикл и теорема Карно.

18.Особенности равновесных и неравновесных превращений теплоты и работы

19.Второе начало термодинамики – закон о неравновесных (необратимых) процессах (принцип возрастания энтропии). Физический смысл аналитического выражения второго начала. Второе начало и принцип существования энтропии

20.Связь энтропии и вероятности состояния.

21.Истечение газов. Установившееся одномерное течение газов. Основное уравнение истечения. Адиабатное истечение газа из сосуда неограниченной емкости. Сопло Лаваля.

22.Абсолютная шкала температуры.

23.Метод термодинамических потенциалов.

24.Связь теории тепломассообмена и термодинамики, область применимости теории тепломассобмена.

25.Основные понятия теории тепломассообмена: поле температуры, её градиент, гипотеза Фурье. Гипотеза Ньютона. Коэффициент теплоотдачи.

26.Уравнение Фурье-Кирхгофа.

27.Условия однозначности для расчета задач теплопроводности

28.Решение уравнения Фурье-Кирхгофа для одномерных стационарных задач без источников внутреннего тепловыделения: плоская стенка с граничными условиями 1-го, 2-го и 3-го рода (постановка задачи – дифференциальное уравнение и условия однозначности, решение)

29.Решение уравнения Фурье-Кирхгофа для одномерных стационарных задач без источников внутреннего тепловыделения: цилиндрическая стенка с граничными условиями 1-го, 2-го и 3-го рода (постановка задачи – дифференциальное уравнение и условия однозначности, решение)

30.Решение уравнения Фурье-Кирхгофа для одномерной стационарной задачи с источником внутреннего тепловыделения (на примере цилиндрической геометрии)

31.Тепловое сопротивление составной плоской и цилиндрической стенки. Критическая толщина изоляции.

32.Принципы расчета нестационарной конвекции

33.Математическое описание конвективного теплообмена в среде: уравнения энергии, движения, неразрывности (без вывода).

34.Условия однозначности для расчета конвекции.

35.Применение метода анализа размерностей, π-теорема.

36.Применение теории подобия для анализа конвективного теплообмена

37.Основные критерии подобия, число Нуссельта.

38.Теплообмен излучением: определение и основные законы.

Экзамен по дисциплине «Термодинамика, теплопередача и гидравлика»