книги / Техническая термодинамика и теплопередача
..pdf
и не получило значительного распространения в инженерной практике термодинамических расчетов. Обычно для этих це лей используют термодинамические таблицы и диаграммы.
Каждый параметр влажного насыщенного пара Пх (удель ный объем vt, энтальпия hxи энтропия sx) определяется по вы
ражению, составленному по закону смесеобразования ЛГкг сухого насыщенного пара и М'кг кипящей воды с учетом
свойств их аддитивности, которое имеет следующий общий вид:
П, |
ГГ* |
П'(1 - *), |
влажный |
сухой |
кипящая |
насыщенный |
насыщенный |
вода |
пар |
пар |
|
где под ГГ и IT подразумевается удельный объем, энтальпия, энтропия сухого насыщенного пара и кипящей воды.
Энтальпию и энтропию насыщенного пара можно также най ти из выражений:
hx = h'+xr; sx = s'+xr/Ts.
Однако таблицы могут дать лишь дискретные значения ис комых величин. Для изображения непрерывных изменений па раметров (процессов) водяного пара на практике часто ис пользуется плоская TS-система координат (диаграмма водяного пара).
TS-диаграмма водяного пара (рис. 47) представляет со бой график, построенный в координатах TS, на котором нане сены следующие линии:
1) изобара нагрева воды а $ \
2 ) парообразования а’а";
3)перегрева пара а"а;
4)верхняя (х = 1) и нижняя (х = 0) пограничные кривые, ли
нии постоянной степени сухости (х = const).
Между пограничными кривыми расположена область влаж ного пара с различными степенями сухости. Части диаграм мы, находящиеся правее верхней пограничной кривой, левее нижней пограничной кривой, являются соответственно облас тями перегретого пара и воды. TS-диаграмма позволяет наглядно оценить изменение температуры водяного пара и теп лоту в различных процессах. Неудобство использования TS-диаграммы состоит в необходимости измерений площадей.
Контрольные вопросы.
1.Охарактеризуйте процесс парообразования. Что такое испарение и кипение?
2.Какой пар называется сухим насыщенным, влажным, пе регретым?
3.Расскажите о Г,S-диаграмме водяного пара.
4.Что такое критическая точка?
5.Что такое теплота парообразования?
ЧАСТЬ 2
ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Учиться надо только весело...
Чтобы переварить знания, надо поглощать их с интересом.
А. Франс
1.1. Основы теории теплопередачи
Физическая теория подобна костюму, сшитому для природы. Хорошая теория подобна хорошо сшитому костюму, а плохая — тришкину кафтану.
Я.И. Френкель
Теорией теплопередачи или теплообмена называется наука, изучающая процессы переноса тепла в пространстве с неод нородным температурным полем.
Известны два пути построения физических знаний: фено менологический и молекулярно-кинетический (статистический). Мы будем придерживаться первого подхода.
1.2. Виды теплообмена
Тот, кто ничего не знает, ни в чем и не сомневается.
Котгрейв
В общем случае перенос тепла представляет собой слож ное явление, связанное с различными физическими процес сами. Различают три основных вида теплообмена:
1.Теплопроводность.
2.Конвективный теплообмен.
3.Лучистый теплообмен.
Теплопроводность представляетсобой передачу тепламеж ду непосредственно соприкасающимися частями тела.
Теплопроводность осуществляется путем передачи энер гии от одних элементарных частиц тела к другим вследствие микродвижений этих элементарных частиц. Для газов такими частицами являются молекулы. Молекулы газа в той его час ти, которая имеет более высокую температуру, обладают большей средней кинетической энергией. При столкновении молекул газа происходит обмен кинетической энергией, в ре зультате чего тепло передается от более прогретых частей газа к более холодным. В твердых телах обмен энергией про исходит между свободными электронами, а также между уз лами кристаллической решетки в процессе ее колебания.
Вчистом виде явления теплопроводности наблюдаются
втвердых телах, в абсолютно неподвижных газах и жидкостях.
Конвективным теплообменом называется процесс перено са тепла в жидкости или газообразной среде с неоднородным распределением температуры и скорости, осуществляемый макроскопическими частями среды при их перемешивании.
Рис. 1. Свободная конвекция
Конвективный теплообмен все гда сопровождается теплопроводно стью.
В зависимости от причины, вы зывающей движение жидкости или газа, различают:
1) конвективный теплообмен при свободном движении среды (сво бодная или гравитационная конвек ция);
2 ) конвективный теплообмен при вынужденном движении среды (вы нужденная конвекция).
Приведем пример свободной конвекции.
Если нагреть сосуд с жидкостью (рис. 1), то частицы жид кости, имеющие более высокую температуру ( Т2 > ^ ), вслед ствие уменьшения их плотности ( р2 < P i), будут всплывать, т.е. вытесняться более холодными слоями жидкости и пере носить с собой теплоту. В сосуде возникнут конвективные потоки.
Вынужденная конвекция имеет место тогда, когда движе ние жидкости или газа вызвано внешними причинами: насосом, вентилятором, движением летательного аппарата в воздухе ит.п. В одной и той же среде теплообмен при вынужденной конвекции протекает значительно интенсивней, чем при сво бодной.
Лучистым теплообменом называется процесс переноса теп ла излучением, обусловленный способностью нагретого веще ства превращать часть принадлежащей ему внутренней энер гии в энергию электромагнитных колебаний.
Встречая на своем пути другое вещество, тепловые лучи частично поглощаются, и их энергия снова превращается в теп лоту, а частично отражаются и проходят сквозь тело. В чистом виде лучистый теплообмен имеет место лишь в условиях глу бокого вакуума.
Как правило, мы имеем дело со всеми тремя видами теп лообмена одновременно, т.е. обычно имеет место сложный теплообмен.
При решении конкретных практических задач количество тепла, передаваемое теплопроводностью, излучением и кон векцией, может быть различным, поэтому в расчетах часто пре небрегают видами теплообмена, роль которых в рассматрива емом случае несущественна, и весь процесс сводят к основному определяющему виду теплообмена.
Тк
Q
Ts2
О 5 x
Рис. 2. Передача теплоты через плоскую стенку
Численно коэффициент теплопроводности X равен коли
честву тепла, проходящего в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при условии, что гра диент температур в рассматриваемой точке равен единице.
Коэффициент теплопроводности является одной из физи ческих характеристик вещества: он характеризует способность данного вещества проводить тепло. Для различных веществ величина X различна. Лучшими проводниками тепла являются
металлы, худшими — газы.
Формула (1.1) является простейшим следствием закона Фурье, который был сформулирован в 1822 г., а именно: эле ментарное количество тепла dQ, проходящее через элемент изотермической поверхности dS за время dt, пропорциональ но температурному градиенту:
( 1.2)
дп
Если отнести количество тепла, переданное посредством теплопроводности, к единице площади изотермической повер хности и к единице времени, то получим плотность теплового потока или удельный тепловой поток:
м
Вектор q нормален к изотермической поверхности и на
правлен в сторону убывания температуры.
Векторы q и grad Т коллинеарны (рис. 3), но направлены
в разные стороны.
Рис. 3. Направление вектора плотности теплового потока
ивектора градиента температур
1.4. Вывод дифференциального уравнения теплопроводности. Краевые условия
Разница между знанием и пониманием большая.
Знания постигаются памятью, понимание — разумом.
Н.П. Бардин
Допустим, что мы рассматриваем некоторое тело и изу чаем его тепловое состояние. Последнее будет известно, если для каждой точки тела мы будем знать температуру Г в любой момент времени.