- •Основные положения механики печных газов
- •1. Применение теории подобия
- •1.1.Гидродинамическое подобие
- •1.2. Моделирование
- •1.3. Общие сведения о свойствах и движении жидкостей и газов
- •1.3.7. Динамика газов. Элементы теории движения реальных газов
- •2. Движение газов в рабочем пространстве металлургических печей
- •2.1. Причины движения. Свободное и вынужденное движения
- •2.2. Струи
- •2.2.3. Ограниченные струи.
- •Раздел:основы теплопередачи
- •1. Теплопроводность
- •Коэффициент теплопроводности
- •Окончательно граничные условия 3-го рода можно записать в виде:
- •Вся сложность вопроса о теплообмене между телом и окружающей средой заключается в определении величины при конкретных условиях задачи.
- •1.2. Стационарные процессы теплопроводности
- •1.2.1. Передача теплоты теплопроводностью через стенку (граничные условия 1 рода)
- •1.2.2. Теплопередача через стенку от одной среды к другой (граничные условия 3 рода)
- •1.3. Нестационарная теплопроводность
- •1.3.1. Аналитическое описание процесса
- •1.3.2. Понятия тонкого и массивного тела
- •2. Конвективный теплообмен
- •2.1. Основной закон конвективного теплообмена
- •2.2. Числа и уравнения подобия
- •2.3. Конвективный теплообмен при вынужденном продольном обтекании плоской поверхности
- •2.3.1. Структура пограничного слоя
- •2.3.2. Теплоотдача при ламинарном режиме движения в пограничном слое
- •2.3.3. Теплоотдача при турбулентном режиме движения в пограничном слое
- •2.4. Конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости в трубах
- •2.4.4. Теплоотдача при течении в каналах некруглого поперечного сечения
- •2.5. Конвективный теплообмен при свободном движении жидкости
- •2.5.1. Конвективный теплообмен при свободном движении жидкости около вертикальной поверхности
- •2.5.2. Конвективный теплообмен при свободном движении жидкости около горизонтальных труб
- •2.5.3. Конвективный теплообмен при свободном движении жидкости около горизонтальной плоской поверхности
1.3. Нестационарная теплопроводность
Процессы теплопроводности, когда поле температуры внутри тела изменяется не только в пространстве, но и во времени, называют нестационарными. Они имеют место при нагревании (охлаждении) различных заготовок и изделий, производстве стекла, обжиге кирпича, пуске и останове различных теплообменных устройств, энергетических агрегатов и т. д.
Среди практических задач нестационарной теплопроводности важнейшее значение имеют две группы процессов: а) тело стремится к тепловому равновесию; б) температура тела претерпевает периодические изменения.
К первой группе относятся процессы нагрева или охлаждения тел, помещенных в среду с заданным тепловым состоянием, например, прогрев металлических заготовок в печи, охлаждение закаливаемой детали и т. п. Ко второй группе относятся процессы в периодически действующих подогревателях, например, тепловой процесс регенераторов, насадка которых то нагревается дымовым газами, то охлаждается воздухом.
На
рис. 1.6 показан характер кривых, полученных
при нагревании однородного твердого
тела в среде с постоянной температурой
tж.
По мере нагрева температура в каждой точке асимптотически приближается к температуре греющей среды. Наиболее быстро изменяется температура точек, лежащих вблизи поверхности тела. С увеличением времени прогрева эта разность будет уменьшаться и теоретически через достаточно большой отрезок времени она будет равна нулю.
1.3.1. Аналитическое описание процесса
Если
дана пластина толщиной
и толщина ее мала по сравнению с длиной
и шириной, то такую пластину обычно
считают неограниченной. Изменение
температуры происходит только в
одном направлении х, в двух других
направлениях температура не изменяется,
следовательно, в пространстве задача
является одномерной. Охлаждение
происходит в среде с постоянной
температуройtж
= const.
На обеих поверхностях отвод теплоты
осуществляется при постоянном во
времени коэффициенте теплоотдачи,
который одинаков для всех точек
поверхности пластины.
Рис.1.7
Аналитическое описание процесса нестационарной теплопроводности включает в себя дифференциальное уравнение и условия однозначности.
Отсчет
температуры тела можно вести от
температуры среды, т. е. обозначить
- избыточная температура. При этих
условиях для тела в форме пластины
уравнение теплопроводности для одномерной
задачи можно представить в виде
. (1.41)
Начальные условия:
=
0;
.
Граничные условия:
На
оси х=0;
.
На поверхности могут быть заданы граничные условия третьего рода
Х =;
. (1.42)
Для неограниченного цилиндра радиусом r0 уравнение теплопроводности принимает вид
(1.43)
Начальные условия:
=
0;
.
Граничные условия:
r
= 0;
;
r
= r0;
. (1.44)
Решение уравнения для распределения температуры по толщине при нагревании (охлаждении) неограниченной пластины в этом случае имеет следующий вид
(1.45),
где
- безразмерная (относительная избыточная)
температура;
- текущая избыточная
температура;
-
начальная избыточная температура;
- в процессе
нагревания (или охлаждения) она уменьшается
(
);
- безразмерный
коэффициент
;
- корни
характеристического уравнения;
- безразмерная
координата (
- определяющий размер, равный полутолщине
пластины);
;
- число Фурье,
характеризует безразмерное время (
);
- число Био, оно
представляет собой отношение внутреннего
термического сопротивления теплопроводности
к внешнему сопротивлению теплоотдачи.
- коэффициент
теплопроводности (Вт/м град), является
физическим параметром вещества и в
общем случае зависит от температуры и
физической природы вещества.
- коэффициент
теплоотдачи (Вт/м2
град), характеризует
конвективный теплообмен, зависит от
физической природы, режима движения,
скорости, теплопроводности, теплоёмкости,
плотности, вязкости окружающей среды,
размера и формы поверхности, разности
температур поверхности и окружающей
среды и т. д.
Количество теплоты, полученное (отданное) в процессе, определяют по формулам:
, (1.47)
- плотность, кг/м3;
- теплоёмкость,
кДж/кг·град;
- объём тела, м3. V
= 2
f;
; (1.48)
(1.49)
- средняя по массе безразмерная температура в конце процесса.
При расчёте температурного поля сплошного длинного цилиндра при нестационарном режиме используют следующие формулы:
, (1.50)
где
- безразмерная координата;
- функция Бесселя
первого рода нулевого порядка
(колебательная затухающая функция).
Количество теплоты определяют по формулам:
; V
=
r02
l ;
;
. (1.51)
При Fo≥0,3 (для пластины) или Fo≥0,25 (для цилиндра) ряд оказывается настолько быстро сходящимся, что для практических расчетов достаточно ограничиться первым членом ряда (погрешность не превышает 1%) – это соответствует стадии регулярного режима. В этом случае изменение во времени температуры θ0 на средней плоскости пластины (Х=0) или оси цилиндра (R=0) описывается уравнением
, (1.52)
а температуры на поверхностях этих тел (Х=1 или R=1)
. (1.53)
Значения N, P и μ12 в зависимости от числа Био занесены в таблицы, а для безразмерных температур средней плоскости и поверхности θ0(Bi, F0) и θп(Bi, F0) составлены номограммы (номограммы Будрина) – см. Приложение.
