Главная Договора

Способы передачи теплоты. Теплопередача. Виды теплопередачи Что такое излучение теплопередача

Фаттахов Мухамад

Исследовательская работа по физике: Теплопередача. Виды теплопередачи.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Конкурс исследовательских работ в рамках Малой академии наук школьников

Республики Башкортостан.

Секция: Физика

Исследовательская работа

“Теплопередача. Виды теплопередачи”

Обучающийся 8 класса

МОБУ СОШ с. Сухоречка

Руководитель: Панова Зульфия

Хайдаровна, учитель

МОБУ СОШ с. Сухоречка

2017-2018 учебный год

С. Сухоречка

1. Введение.Актуальность данной темы……………………………….................3

2. Тема, цели, задачи, этапы проекта………………………………………………4

3. Основная часть……………………………………………………………………6

3.1. Теплопередача и ее виды……………………………………………………6

3.2. Значение теплопередачи в природе и в жизни людей…...........................9

3.3. Применение видов теплопередачи в жизни................................………..10

3.4. Опыты………………………………………………………………………..11

4. Заключение………………………………………………………………………..17

5. Литератураи информационные ресурсы ………………………………………..18

1.Введение.

Но как же жизнь бываетнепроста

с той дамой,что зовётся «Теплота»!

С раннего детства и на протяжении всей своей жизни человек пытается найти ответы на тысячи вопросов, связанных с происходящими вокруг него явлениями. Тысячи "Почему" звучит из уст ребёнка, пока он растёт. На многие вопросы мы находим ответы сами по мере взросления. Другие остаются загадкой. Так и я, открывая мир вокруг, пытался найти объяснение тому, что видел, с чем сталкивался. Особенно меня интересовали вопросы, связанные с теплом и его передачей. Одни ответынаходил изучая природу, другие доказывал с помощью опытов, а всю информациюнашел в одном предмете под названием “Физика”. Одним из самых задаваемых вопросов в физике стал вопрос “Как же передаётся тепло? Как его сохранить”. Данный вопрос, по моему мнению, актуален и в наше время, так как человек разрабатывает новые материалы, которые лучше сохраняют тепло, как в строительстве, так и в одежде. Ответ на вопрос, конечно же, есть в обычном учебнике по физике, но чтобы удостовериться, я еще лично проведу исследовательскую работу.

Актуальность исследовательской работы состоит в изучении современных достижений науки и техники в области теплопередачи на экспериментальном уровне и это вызывает живой интерес в исследовании данной темы.

В зимнее время года возникает необходимость утеплять как самих себя, так и своё жильё, желательно используя современные достижения науки. Изучение этих достижений и определило выбор темы исследования .

2.Тема, цели, задачи, этапы проекта.

Цели моего исследования являются:

изучить различные виды теплопередачи и их применение в нашей жизни;
изучение литературы по теме;
рассмотрение роли видов теплопередачи в живой и неживой природе и использование их в жизни человека;
практическое исследование особенностей теплопроводности, конвекции, излучения;
подготовка и проведение демонстраций теплопроводности, конвекции, излучения;

При исследовании я ставил перед собой следующие задачи :

Изучить явление теплопередачи.
Рассмотреть виды теплопередачи и их применение.
Провести опыты по различным видам теплопередачи.
Проанализировать и обобщить полученные данные.

Объект исследования – процесс теплопередачи.

Предмет исследования - теплопередача и ее виды;

Гипотезы исследования- 1) предположим, что явление теплопередачи не имеет применения в жизни; 2) возможно, что виды теплопередачи имеют широкое применение в нашей жизни.

Этапы работы над проектом:

Выбортемы.
Изучениелитературы.
Выполнение исследовательской части работы, подготовка материала.
Оформлениеработы.
Подготовка и выступление на итоговой конференции.

Методыисследования:

Изучение теории, сравнение, проведение опытов, обобщение и анализ полученных результатов .

Практическаязначимость: использование теоретических знаний на практике.

Моя работа предусматривала несколько этапов:

Первыйэтап - подготовительный – заключался в обсуждении темы, определении цели и задачи проекта;

Второйэтап - основной – заключался в проведении опытов и обработкерезультатов.

Апробация исследования.

Материалы исследования могут быть использованы на уроках физики, во внеклассной работе и в повседневной жизни.

3. Основная часть.

3.1Теплопередача. Виды теплопередачи.

Еще в 1744-1745 гг. М. В. Ломоносов в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода» высказал утверждение о том, что тепловые явления обусловлены движением частиц тела - его молекул.

Но к XVIII столетию теплоту представляли себе в виде невесомой и невидимой жидкости, пропитывающей поры тела, как вода пропитывает губку. Действительно, мы замечаем, что тепло от огня в очаге передается через стенки котла в воду, из воды - в погруженную в нее ложку. Любой человек сумеет найти множество примеров, подтверждающих это представление.Эта жидкость не только невидима, но и невесома. Эту жидкость назвали теплородом.

Опытное доказательство правильности идей Ломоносова было дано лишь в конце XVIII в. Это сделал английский физик Румфорд. Следя за изготовлением пушек в Мюнхенском арсенале, он обратил внимание на то, что при сверлении и ствол пушки, и сверло сильно разогреваются.

И так,т еплопередача , по слову можно понять, что это передача тепла. Это физический процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей. Существует 3 вида теплопередачи.

Первый вид – это теплопроводность. Теплопроводность – это явление передачи внутренней энергии от одной частитела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Второй вид – это конвекция. Конвекция – это вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками.

Третий вид – это излучение. Излучение – это процесс испускания и распространения энергии в виде волн и частиц.

3.2. Значение теплопередачи в природе и в жизни людей.

Вот так мы узнали, какие бывают виды теплопередачи, а вот сейчас вопрос “Какое же их значение в природе, мире?”. Ответ кроется ещё в прошлом, когда люди еще незнали о теплопередачи, о её видах и свойствах, они пытались получить и сохранить тепло.В нашей жизни все способы теплопередачи работают одновременно. Редко бывает, когда эти способы действуют отдельно. Это можно доказать, нагревая воду в кастрюле. Сначала от горелки нагревается кастрюля (теплопроводность), затем начинает нагреваться вода (теплопроводность и конвекция). Тепло от кастрюли и воды передается по всем направлениям (излучение).Различные виды теплопередачи находят широкое применение в повседневной жизни, природе и технике. Например, батареи отопления устанавливаются ближе к полу и чаще всего у окна, так как воздух, находящийся около батареи, нагревается, расширяется, становится более легким и поднимается вверх. На его место опускаются более тяжелые холодные слои воздуха. Таким образом, постепенно воздух в комнате прогревается.

В природе благодаря явлению конвекции образуются теплые и холодные течения в океанах. Грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый, потому что тела с темной поверхностью лучше поглощают солнечное излучение и быстрее нагреваются.

К примеру, излучение. Мы знаем, что энергия передаётся в виде волн.

К примеру, солнце, образно говоря, греет землю, с помощью электромагнитных волн передаёт тепло земле или без конвекции в доме не было бы так тепло. Таких примеров можно приводить много.

3.3 Применение видов теплопередачи в жизни

Познакомившись с различными видами теплопередачи, можно многое объяснить:

почему реки зимой не промерзают до дна;
почему кирпичные стены дома, который строится рядом с нашим лицеем, обшивают листами пенопласта;
почему у ТЭЦ такая высокая труба;
почему между стеклами в рамах есть воздушный зазор;
почему летом люди стараются носить светлую одежду, а зимой шубы и пуховики;
почему окна с южной стороны летом закрывают серебристой фольгой;
почему у термоса внутренняя поверхность зеркальная, а между внутренним и внешним сосудами пустота;
почему в районах вечной мерзлоты здания строят на сваях;
почему трубы от котельной до потребителя закрывают стекловатой;
почему люди зимой носят темные одежды (черного, синего, коричного цвета), а летом светлые (бежевые, белые цвета);
почему в районах с жарким климатом люди носят ватные халаты и меховые шапки;
почему звери зимой надевают более густую шубу, а птицы сидят нахохлившись;
почему животные, не имеющие волосяного покрова, имеют толстый слой подкожного жира.

Можно привести еще огромное количество интересных примеров применения теплопередачи в нашей жизни.

3.4 Опыты

Опыт №1 “Сравнение теплопроводности воды и воздуха”

Цель работы :проверить, где обычная банка с жидкостью быстро охладиться от 25 градусов комнатной температуры до самой низкой, в морозильнике или в воде с поваренной солью и льдом, то есть я сравню теплопроводность воздуха и воды.

Приборы и материалы : электрический термометр, обычный холодильник (морозильник). Не глубокая, но широкая посуда с водой, обычная соль, поваренная и лёд.

Ход работы:

У меня имеется 2 банки с жидкостью с комнатной температурой 25 градусов. Я наливаю в не глубокую чашку воду, накладываю туда небольшие куски льда и сыплю поваренную соль. Затем, одну банку с жидкостью я помещаю в морозильник, а другую в чашку с поваренной солью, водой и льдом. Жду 10 минут, и проверяю, где же лучше охладилась банка с жидкостью.

Прошло 10 минут, я одновременно достаю 2 банки с жидкостью и начинаю проверку. Проверка показала, что банка с жидкостью, которую я достал, с морозилки стала 20 градусов с 25 градусов комнатной температуры. Вторая банка, которая была, в соленой воде вместе со льдом стала 8 градусов с 25 градусов комнатной температуры.

Следовательно, вторая банка с жидкостью охладилась лучше, чем первая, потому что в морозильнике плохая теплопроводность, а вот в воде с солью лучше, потому что вода полностью покрывает банку с жидкостью, а в морозилке просто холодный воздух.

Вывод:

Выше приведённым опытом мною выявлено, что теплопроводность воды лучше, чем у воздуха. Вот табличные значения: теплопроводность воздуха 1Дж/кг*с и воды 4200 Дж/кг*с 0 .

Опыт №2 Вертушка.

Цель работы:узнать, будет ли вращаться вертушка из фольги, при определённом накале лампы.

Приборы и материалы: лампа, вертушка из тонкой фольги, остриё от компаса.

Ход работы:

Я достаю обычную лампу и подключаю её к розетки. Далее на вверх лампы ставлю остриё от компаса и помещаю туда тонкую вертушку из фольги. Включаю лампу, со временем вертушка начинает медленно вращаться, и чем больше времени лампа включена, тем вертушка крутиться быстрей.

Вывод:

Конвекция в воздухе всё- таки, есть, и я смог это доказать. Вертушка начала крутится под действием теплых струй воздуха, исходящих от лампы.

Опыт № 3 Теплопередача излучением

Цель работы: доказать, что с помощью волн электроплитки, направленных к теплоприёмнику, который соединён с левом коленом манометра, можно передать тепло так, что температура манометра будет изменяться, то есть увидеть излучение.

Инструменты и материалы: электроплитка, теплоприёмник, манометр.

Ход работы:

Я электроплиткуставлю вертикально в центре рядом, где стоит теплоприёмник, а справа ставлю манометр. Электроплитка имеет открытую спираль, а вот внутренняя полость теплоприёмника соединена с левом коленом манометра, правое колено манометра открыто. Разворачиваю теплоприёмник главной стороной к электроплитке, потом я включаю плитку и слежу за изменениями манометра.При включении электроплитки волны уходят к теплоприёмнику. А энергия, которая приходит к теплоприёмнику, отдаётся в манометр. И начинают изменяться показания температуры, она повышается.

Вывод:

Следовательно, энергия, получаемая от электроплитки теплоприемником, передавалась ни конвекцией, ни теплопроводностью, а именно излучением.

Рассуждение:

Из проведённых выше опытов было доказано, что у трёх видов теплопередачи существуют множество различных способов передавать свою энергию, то есть тепло.

Теперь представьте, чтобы стало с Землёй, если бы этих трёх способов передачи энергии не было?

Ответов на мой же один вопрос будет четыре. Сейчас я объясню, почему же всего лишь на один вопрос, так много ответов. Суть лежит в способах передачи, их всего 3 и к каждому будет ответ с объяснением. Что было бы, если бы не было излучения, и так и далее. А четвертый ответ, это объедённые ответы прошлых трёх, то есть главный ответ.

Вопрос№1 и ответ

Вопрос: Что было бы, если не было бы, теплопроводности в мире?

Ответ: теплопроводность нужна для проведения через предмет тепла, тем самым нагревая предмет. Множество людей попросту не смогли бы приготовить себе ужин и т.д.

Вопрос № 2 и ответ

Вопрос: что было бы, если не было бы, конвекции в мире?

Ответ: тепло от батарей не циркулировало бы по дому, не было бы движения воздушных масс, не было бы дождей вдали от рек морей и океанов, вся земля превратилась бы в пустыню.

Вопрос № 3и ответ

Вопрос: что было бы, если не было бы, излучения в мире?

Ответ: теплые тела перестали бы излучать тепло, это и костер и лампа; на небе светило бы солнце, но не грело бы; Земля превратилась бы в ледяную глыбу, так как не имело бы источников энергии; внутренние слои земли себе спокойно булькали бы при тысячах градусах, но тепло от них не проникало бы на поверхность земли.

Ответ № 4

(Главный)

1) 2) 3) - все эти случаи приводят к гибели Земли и всего, что есть на ней.

Вот, во что превратится Земля, если это произойдёт.

Она начнёт постепенно замерзать, то есть медленно умирать.

Вывод

Вот я узнал, к чему могут привести все случаи, а приведут, они как я говорил, к гибели Земли. Главное, что данные виды теплопередачи будут существовать все время, как они существовали, так и будут!

Заключение

Из всех моих приведённых объяснений, рассуждений, доказательств, опытов и выводов мною и моим учителем физики Пановой З.Х.было подтверждено, что

теплопередачей называют процесс передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение. В жизни все они чаще всего действуют одновременно. Поэтому вокруг себя мы можем наблюдать множество примеров применения разных видов теплопередачи.

В ходе изучения этой темы стало понятно, что знания различных способов передачи тепла имеют большое значение в жизни человека. Применяя эти знания, можно многое объяснить. А ученые-технологи создают новые строительные материалы, которые хорошо защищают жилище человека от холода и воздействия атмосферных явлений.

Данная тема актуальна и сейчас, тем, что от теплопередачи и её видов и от их существования зависит жизнь людей, животных и всего мира. Ведь на первом месте у человека стоит, не как вы думаете, любовь, деньги, а жизнь. Жизнь это что-то уникальное, не просто какая-то вещь или игрушка, жизнь – это активное существование. Если бы человек не развивал науку, не было бы активного развития мира, того скачка вперёд, который полностью изменил жизнь не только человека, но и других живых существ. Человек благодаря науке физике изменил планету и выбрался в космос. Ведь именно физика, это то, что реально изменила, как и внутреннее, так и внешнее состояние жизни. Именно открытия в физике, это и есть тот скачок, прорыв в жизни людей, такие как полёт в космос, открытие закона падения камня, законов движения и сохранения энергии, открытие электрического тока.

Теплопередача, кажется, просто три способа передавать тепло, но если их не было бы или на это как-то повлиял человеческий фактор, то планета Земля закончила бы свое существование в космосе!

Литература и информационные ресурсы

Учебник физики 8 класс: Перышкин А.В.
Блудов М.И. Беседы по физике. – М.: Издательство «Просвещение», 1984.
Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. – М.: Издательство «Просвещение», 1977.
Дитрих А.К., Юрмин Г.А., Кошурникова Р.В. Почемучка. – М.: Педагогика-Пресс, 1993.
http://уроки.мирфизики.рф

Способы передачи теплоты - теплота всегда передается от тел более нагретых к менее нагретым. Способы передачи теплоты от твердого тела (стенки) к обтекающей его жидкости или газу называются теплоотдачей. Способы передачи теплоты из одной среды в другую, разделенных перегородкой (стенкой), называются теплопередачей. Различают три способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и излучение (радиацию).

Теплопроводностью называется процесс распространения теплоты в теле (одном) посредством передачи кинетической энергии от более нагретых молекул к менее нагретым, находящимся в соприкосновении друг с другом. В чистом виде теплопроводность имеет место в твердых телах очень тонких, неподвижных слоях жидкости и газа.

Способы передачи теплоты распространяются через стенки котла. Теплопроводность различных веществ различна. Хорошими проводниками теплоты являются металлы. Весьма незначительна теплопроводность воздуха. Слабо проводят теплоту пористые тела, асбест, войлок и сажа.

Конвекцией называется перенос, теплоты за счет перемещения молярных объемов среды. Обычно конвективный способ перенос теплоты происходит совместно с теплопроводностью и осуществляется в результате свободного или вынужденного движения молярных объемов жидкости или газов (естественная или вынужденная конвекция). Естественной конвекцией распространяется теплота от печей, отопительных приборов, при нагревании воды в паровых котлах, охлаждении обмуровки котлов и других тепловых устройств. Свободное движение жидкости или газов обусловлено различной плотностью нагретых и холодных частиц среды. Например, воздух около поверхности печи нагревается становится легче, поднимается вверх, а на его место поступает более тяжелый, холодный. В результате этого в комнате возникает циркуляция воздуха, которая переносит теплоту.

Способы передачи теплоты включают в себя конвекцию. Вынужденная конвекция имеет место при передаче теплоты от внутренней стенки котла к воде, движущейся под действием насоса.

Излучением (радиацией) называется передача теплоты от одного тела к другому путем электромагнитных волн через прозрачную для теплового излучения среду. Этот процесс передачи теплоты сопровождается превращением энергии тепловой в лучистую и, наоборот, лучистой в тепловую. Радиацией передается теплота от факела горящего топлива к поверхности чугунных секций или стальных труб котла. Радиация - это наиболее эффективный способ передачи теплоты, особенно если излучающее тело имеет высокую температуру, а лучи от него направлены перпендикулярно к нагреваемой поверхности.

Понятие о теплопередаче. Рассмотренные выше три вида теплообмена в чистом виде встречаются очень редко. В большинстве случаев один вид сопровождается другим. Примером этого может служить передача теплоты от газообразных продуктов сгорания к стенке водогрейного котла (рис. 7). Слева поверхность ее соприкасается с горячими газообразными продуктами сгорания и имеет температуру t 1 справа омывается водой и имеет температуру t 2 Температура в стенке снижается в направлении оси х.

Рис. 7.Передача теплоты от газообразных продуктов сгорания к стенке водогрейного котла.

В данном случае теплота от газа к стенке передается одновременно путем конвекции, теплопроводности и излучением (лучистый теплообмен). Одновременная передача теплоты конвекцией, теплопроводностью и излучением называется сложным теплообменом.

Результат одновременного действия отдельных элементарных явлений приписывают одному из них, которое и считают главным. Так, радиация (излучение), называемая еще прямой отдачей, в передаче теплоты в топочной камере от топочных газов к внешней поверхности нагрева котла играет главенствующую роль, хотя наряду с ней в передаче теплоты участвуют и конвекция, и теплопроводность.

Способы передачи теплоты от внешней поверхности нагрева к внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи осуществляются только путем теплопроводности. Наконец, от внутренней поверхности нагрева котла к воде теплота передается только конвекцией. В газоходах котла процесс теплообмена между стенкой секции и омывающими ее газами также является результатом совокупного действия конвекции, теплопроводности и радиации. Однако в качестве основного явления принимается конвекция.

Количественной характеристикой передачи теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку является коэффициент теплопередачи К. Для плоской стенки коэффициент К количество теплоты, переданной в единицу времени: от одной жидкости к другой на площади 1 м 2 при разности температура между ними в один град. - определяется по формуле:

К = (1/α 1 +δ 3 /λ 3 + δ ст /λ ст +δ н /λ н + 1/α 2) -1

где α 1 - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке поверхности нагрева, Вт/(м 2 ×град); δ 3 - толщина золовых или сажевых отложений (так называемые наружные загрязнения), м; δ ст - толщина стенки секций или труб, м; δ н - толщина накипи (так называемое внутреннее загрязнение), м; λ 3 , λ ст, λ в - соответствующие коэффициенты теплопроводности золы или сажи, стенки и накипи, Вт/(м×град); α 2 -. коэффициент теплоотдачи от стенки к воде/ Вт/(м 2 ×град).

В соответствии с приведенным примером сложного теплообмена (см. рис. 7) общий коэффициент теплоотдачи, а от газов к стенке котла соответственно равен:

α 1 = α к + α л

где α к и α л - коэффициенты, теплоотдачи конвекцией и излучением.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередачи. Для данного случая:

R = 1/K = 1/α 1 +δ 3 /λ 3 +δ cт /λ ст +δ н /λ н + 1/α 2

Различные вещества имеют разные коэффициенты теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности К - количество теплоты, передаваемое через единицу площади поверхности нагрева в единицу времени при разности температур в 1 град и толщине стенки в 1 м. При использовании внесистемных единиц (ккал в ч) размерность коэффициента теплопроводности ккал×м/(м 2 ×ч×град), в системе СИ - Вт/ (м × град).

Коэффициенты теплопроводности различных материалов, наиболее часто встречающихся в отопительно - котельной технике, приведены ниже, Вт/(м×град).

Количество теплоты Q, передаваемое через стенку, определяется по формуле:

где К - коэффициент теплопередачи, Вт/ (мг×град); ∆t - средняя разность температур греющей и нагреваемой сред или среднелогарифмический температурный напор, град; Н - площадь поверхности нагрева, м 2 .

Среднелогарифмический температурный напор ∆t определяется по формуле:

∆t = ∆t - ∆t м /2,31 g (∆t 0 /∆t м)

где ∆t g и ∆t м - наибольшая и наименьшая разности температур греющей и нагреваемой среды.

Рис. 8. Характер изменения температур рабочих жидкостей при

а - прямотоке; б - противотоке.

Характер изменения температур рабочих жидкостей показан на рис. 8. Если в теплообменном аппарате греющая и нагреваемая жидкости протекают в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком (см. рис. 8, а), а в противоположных - противотоком (см. рис. 8, б).

Для единицы площади теплопередающей поверхности удельный поток, обозначаемый q, будет равен:

Из приведенных формул видно, что количество передаваемой теплоты тем больше, чем больше площадь поверхности нагрева Н и чем больше средняя разность температур или температурный напор и коэффициент теплопередачи К. Наличие на стенке котла накипи, золы или сажи значительно снижает коэффициент теплопередачи (см. ниже пример).

Определяющим фактором в передаче теплоты радиацией являются температура излучающего тела и степень его черноты. Поэтому, чтобы интенсифицировать передачу теплоты радиацией, необходимо увеличить температуру излучающего тела, повысив шероховатость поверхности.

Теплоотдача конвекцией зависит: от скорости движения газов, разности температур греющей и нагреваемой среды, характера обтекания газами поверхности нагрева - продольное или поперечное, вида поверхности - гладкая или оребренная. Основными способами интенсификации передачи теплоты конвекцией являются: повышение скорости газов, их завихрение в газоходах, увеличение площади поверхности нагрева за счет ее оребрения, повышение разности температур между греющей и нагреваемой средами, осуществление встречного (противоточного) омывания.

Пример. Рассмотрим влияние накипи и сажи на теплопередачу в котле, используя данные настоящего раздела. Принимаем толщину стенки секции чугунного котла δ 1 = 8 мм, а отложившиеся на ней слой накипи толщиной δ 2 = 2 мм и слой сажи δ 3 = 1 Гмм. Коэффициенты теплопроводности стенки λ 1 , накипи λ 2 и сажи λ 3 соответственно принимаем равными 54; 0,1 и 0,05 ккал/(м×ч×град) (√62,7; 0,116 и 0,058 Вт/ (м 2 × К). Значения коэффициентов теплоотдачи: от, газов к стенке α 1 = 20 ккал/(м 2 ×град); от стенки к воде α 2 = 1000 ккал/(м 2 ×ч×град). Температуру газов принимаем равной t газ = 800°С, воды t = 95 С.

Расчеты производим для чистой и загрязненной стенок чугунного котла.

А. Стенка котла чистая.

Найдем коэффициент теплопередачи:

К = (l/α 1 + δ/λ + l/α 2) -1 = (1/20 + 0,008/54 + 1/1000) -1 = 1/0,0512 = 19,5 ккал/(м 2 × ч ×град) = 22,6 Вт/ (м 2 × град) и тепловой поток через стенку.

q = K∆t = 19,5 (800-95) = 13700 ккал/(м 2 ×ч) = 15850 Вт/ (м 2).

Определим температуру наружной поверхности стенки чугунной секции, воспользовавшись формулой

q =α 1 (t газ - t cт) -1 q = α 1 t газ - α 1 t ст; α i t ст = α 1 t газ

t cт = t газ - q/α 1 = 800 - 13700/20 = 115 °С.

Из расчета видно, что при чистой стенке котла температура ее мало отличается от температуры воды внутри котла.

Б. Стенка котла загрязненная.

Повторив весь расчет, найдем:

К = (l/α 1 +δ 1 /λ 1 + δ 2 /λ 2 + δ 3 /λ 3 + 1/α 2) -1 = (1/20+0,008/54+0,002/0,1 (+0,001/0,05+ 1=1000) -1 = (0,0912) -1 = 11ккал/ (м 2 ×ч×1×град) = 12,7 Вт/ (м 2 ×град)

q = 11 (800 - 95) = 7750 ккал/ (м 2 ×ч) = 8960 Вт/ (м 2), t ст = 800 - 7750/20 = 412C.

Из расчета видно, что отложение сажи нежелательно тем, что она, обладая малой теплопроводностью, затрудняет передачу теплоты от топочных газов к стенкам котла. Это приводит к перерасходу топлива, снижению выработки котлами пара или горячей воды.

Накипь, имея малую теплопроводность - значительно уменьшает передачу теплоты oт стенки котла к воде, в результате чего стенки, сильно перегреваются и в некоторых случаях; разрываются, вызывая аварии котлов.

Сравнивая результаты расчета, видим, что теплопередача через загрязненную стенку уменьшилась почти в два раза, температура стенки чугунной секции при накипи возросла до опасных, по условиям прочности металла, пределов, что может привести к разрыву секции. Этот пример наглядно показывает необходимость регулярной очистки котла как от накипи, так и от сажи или золы.

Теплопроводность — это вид теплопередачи, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц (молекул, атомов) более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части.

Рассмотрим ряд опытов с нагревом твердого тела, жидкости и газа.

Лучистый теплообмен.

Лучистый теплообмен — это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами.

Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящими-ся вокруг нас.

Так, например, сидя около костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена — лучистый теплообмен .

Возьмем небольшую, закопченную с одной стороны, колбу.

Через пробку в нее вста-вим изогнутую под прямым углом стеклянную трубку. В эту трубку, имеющую узкий канал, введем подкрашенную жидкость. Укрепив на трубке шкалу, получим прибор — термоскоп . Этот прибор позволяет обнаружить даже незначительное нагревание воздуха в закопченной колбе.

Если к темной поверхности термоскопа поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то столбик жидкости переместится вправо. Очевидно, воздух в колбе нагрелся и расши-рился. Быстрое нагревание воздуха в термоскопе можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Как и в случае с костром, энергия здесь передалась не теплопроводностью и не конвективным теплообменом. Энергия в данном случае передалась с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением .

Лучистый теплообмен может происходить в полном вакууме. Этим он отличается от других видов теплообмена.

Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка. Но чем выше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение. Излученная энергия, достиг-нув других тел, частично поглощается ими, а частично отражается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Светлые и темные поверхности поглощают энергию по-разному. Так, если в опыте с термоскопом повернуть колбу к нагретому телу сначала закопченной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в первом случае переместится на большее расстояние, чем во втором (см. рисунок выше). Из этого следует, что тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию (и, следовательно, сильнее нагреваются), чем тела со светлой или зеркаль-ной поверхностью.

Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию.

Способность по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в техни-ке. Например, воздушные шары и крылья самолетов часто красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами.

Если же нужно использовать солнечную энергию (например, для нагревания некоторых прибо-ров, установленных на искусственных спутниках), то эти устройства окрашивают в темный цвет.

Теплопроводность – это вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия от более нагретого тела к менее нагретому или от более нагретой части тела к менее нагретой происходит за счет взаимодействия молекул.

При теплопроводности не происходит переноса вещества.

Плохой теплопроводностью обладают газы, например воздух, т. к. расстояние между молекулами в газах значительно больше, чем в жидкостях и твердых телах.

В вакууме теплопроводность не происходит, т. к. в вакууме отсутствуют частицы вещества.

Хорошей теплопроводностью обладают все металлы.

Конвекция – это вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия от более нагретого слоя жидкости или газа к менее нагретому слою передаётся за счет перемещения самих слоев жидкости или газа.

Причём более нагретые слои (а значит более лёгкие) перемещаются благодаря силе Архимеда вверх, а менее нагретые вниз. Вот почему жидкости и газы надо нагревать снизу. При конвекции происходит перенос вещества.

Излучение – это вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия от более нагретого тела к менее нагретому передается за счет видимых и невидимых лучей (с помощью электромагнитных волн).

Излучение может происходить и в вакууме.

Чем больше температура тела, тем сильнее оно излучает энергию.

Чем больше площадь тела, тем больше оно излучает.

Темные поверхности лучше излучают и лучше поглощают энергию, чем светлые.

Билет № 43. Количество теплоты.

Количество теплоты.

Теплопередача (теплообмен) – это процесс передачи внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы.

Количество теплоты - это та часть внутренней энергии, которую тело получает или отдает при теплопередаче.

Q = ∆U - количество теплоты. [Q] СИ = Дж

Нагревание тел.

Нагревание – это тепловой процесс, при котором температура тела возрастает, следовательно, внутренняя энергия тела увеличивается, т. е. тело получает некоторое количество теплоты.

t 1 – начальная температура тела. t 2 – конечная температура тела.

Q н. = cm(t 2 – t 1) = cm∆t – количество теплоты, полученное телом при нагревании.

m – масса тела ∆t = t 2 – t 1 - изменение температуры. с – удельная теплоёмкость вещества, из которого состоит тело.

с = Q н /m∆t [c] = Дж/кг∙ 0 С

с – удельная теплоёмкость вещества - это физическая величина, показывающая какое количество теплоты необходимо для нагревания 1 кг данного вещества на 1 0 С.

с воды. = 4200 Дж/кг∙ 0 С – это значит, что для нагревания 1кг воды на 1 0 С потребуется 4200 Дж теплоты, т. е. внутренняя энергия 1 кг воды при нагревании на 1 0 С увеличится на 4200 Дж.

Удельная теплоёмкость различна у разных веществ. Она также зависит от агрегатного состояния данного вещества.

Чем больше удельная теплоёмкость вещества, тем медленнее нагревается тело. Охлаждении тел.

Охлаждение – это тепловой процесс, при котором температура тела уменьшается, следовательно, внутренняя энергия тела уменьшается, т. е. тело отдаёт некоторое количество теплоты.

T, мин

Q охл. = cm(t 1 – t 2) - количество теплоты, выделяющееся при охлаждении тела.

Удельная теплоёмкость вещества при нагревании и охлаждении одна и та же.

Основы теории теплообмена.

Теплопередача – наука, занимающаяся изучением теплообмена между телами и распределением температуры в телах.

Основные формы передачи теплоты:

1. Теплопроводность.

2. Конвективный теплообмен.

3. Лучистый теплообмен.

Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты путем непосредственного соприкосновения тел или отдельных частей тела, имеющих различную температуру. При этом процесс теплообмена происходит за счет передачи энергии микродвижения одних частиц другим.

В чистом виде теплопроводность наблюдается в твердых телах, а также в неподвижных газах и жидкостях в том случае, когда в них отсутствует конвекция.

Тепловой поток , .

Закон Фурье: тепловой поток пропорционален градиенту температуры и площади, то есть .

Плотность теплового потока , .

Коэффициент теплопроводности - количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу поверхности через единичную толщину стенки при перепаде температуры в один градус, .

Конвективный теплообмен – процесс передачи теплоты, который осуществляется в пространстве (в объёме), за счёт движения макро частиц.

В этом процессе идёт совместное действие конвекции (движения) и передачи теплоты за счёт теплопроводности.

Уравнение Ньютона: , где - толщина приграничного слоя, в котором теплопередача происходит за счёт теплопроводности; - коэффициент конвективного теплообмена, .

Лучистый теплообмен – передача теплоты осуществляется в пространстве за счёт энергии электромагнитных волн.

Закон Стефана-Больцмана: , где - интенсивность излучения абсолютно чёрного тела.

Уравнение Ньютона-Рихмана: , где - коэффициент лучистого теплообмена.

Теплопроводность.

Температурное поле – совокупность значений температур в отдельных точках тела в зависимости от времени и пространственных координат.

Математическая запись нестационарного трёхмерного температурного поля: . Математическая запись стационарного трёхмерного поля: . Это поле называется стационарным, так как .

Изотермическая поверхность – геометрическое место точек имеющих одинаковую температуру.

Изотерма – пересечение изотермической поверхности с перпендикулярной плоскостью.

Изотермическая поверхность либо замыкается внутри тела, либо обрывается на его границе.

Температурный градиент есть вектор направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный пределу отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормали ( 0 С/м )

Закон Фурье:

Тепловой поток: , .

Плотность теплового потока: , , .

Задачи теории теплопроводности:

1. Найти нестационарное трёхмерной температурное поле, .

2. Найти тепловой поток и плотность теплового потока, , .

Вопрос №32

Дифференциальное уравнение теплопроводности.

Условности:

1. Теплофизические свойства системы: , , .

2. Микрочастицы тела неподвижны.

3. Внутренние источники теплоты распределены в теле равномерно.

Где – коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость изменения температуры в любой точке тела, ;

– теплоемкость тела; – плотность тела; – объемная плотность тепловыделения, вm/м 3 ; – температура; – оператор Лапласа.

(для полярных координат , , ), .

Условия однозначности – математическое описание частных особенностей рассматриваемого процесса.

Решая уравнение , получим общее решение, которое в совокупности с условиями однозначности даст нам частные решения.

Условные однозначности:

1. Геометрические условия:

a. Форма тела:

i. Плоское тело.

ii. Цилиндрическое тело.

iii. Сферическое тело.

b. Ограниченное тело.

c. Неограниченное тело.

2. Физические условия:

a. Характер изменения физических параметров:

i. Характер изменения .

ii. Характер изменения .

iii. Характер изменения .

iv. Характер изменения .

3. Начальные условия (временные):

4. Граничные условия:

a. Граничные условия первого рода – закон изменения температуры на границе тела:

b. Граничные условия второго тела – закон изменения температурного потока в стенке тела:

c. Граничные условия третьего рода:

i. Закон изменения температуры окружающей среды.

ii. Закон, по которому идёт теплообмен тела с окружающей средой, .

d. Граничные условия четвёртого рода, .

Вопрос №33

1. Плоская стенка.

Дано: , , .

Найти: , , .

Решение:

Общее решение: .

Граничные условия: .

Термическое сопротивление плоской стенки - .

Отношение называется тепловой проводимостью стенки.

Вопрос №34

Рассмотрим передачу тепла теплопроводностью через плоскую трехслойную стенку (рис. 2б) при условиях: толщина слоев стенки , , ;

коэффициенты теплопроводности материалов соответственно , , ; контакт между стенками идеальный и температура на границе смежных слоев одинакова. Перенос тепла происходит в стационарных условиях – плотность теплового потока по всем слоям стенки имеет одно и то же значение (q=idem ). В этих условиях:

Выделим из этого ряда равенств разности температур (падение температуры по слоям стенки)

Складывая левые и правые части уравнений разности температур, получаем слева изменение температуры в стенке , справа – произведение плотности теплового потока q и общего термического сопротивления

Таким образом, для плотности теплового потока при переносе тепла теплопроводностью через плоскую трехслойную стенку получим следующее выражение:

В общем случае для стенки, состоящей из n – слоев , это выражение запишется так:

где R – общее термическое сопротивление многослойной стенки.

Вопрос №35

Количество теплоты, отдаваемое жидкостью твердой стенке или воспринимаемое жидкостью от стенки, определяется уравнением Ньютона–Рихмана

а плотность теплового потока следующим образом

где α – коэффициент, характеризующий условия теплообмена между жидкостью и поверхностью твердого тела, называемый коэффициентом теплоотдачи , Вт/(м 2 ·°C) ; – температурный напор, 0 С .

В соответствии с формулой (61) по своему физическому смыслу коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока (q) на поверхности тела, отнесенная к разности температур поверхности тела и окружающей среды. Коэффициент теплоотдачи численно равен плотности теплового потока при температурном напоре, равном единице.

Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов. В наиболее общем случае является функцией формы и размера тела, режима движения жидкости, физических свойств жидкости, положения в пространстве и состояние поверхности теплообмена и других величин. Процесс теплоотдачи в зависимости от природы движения жидкости протекает различно.

Вопрос №36

Лучистый теплообмен.

Твёрдые тела излучают и поглощают энергию во всём диапазоне длин волн поверхностным слоем. Интенсивность излучения зависит только от температуры. Жидкости ведут себя аналогичным образом. Газы излучают и поглощают энергию в ограниченном диапазоне длин волн всем объёмом. Интенсивность излучения газов зависит от температуры, толщины слоя и парциального давления компонентов.

Лучистая энергия - энергия, излучаемая телом во всём диапазоне длин волн, .

Интенсивность излучения – количество энергии, излучаемой с единицы поверхности, .

Лучистую энергию можно найти по формуле: .

Закон сохранения энергии: .

Где - коэффициент отражения, - коэффициент поглощения, - коэффициент прозрачности.

Если , то есть ,то тело называется абсолютно белым.

Если , то есть , то тело называется абсолютно чёрным.

Плотность интегрального излучения, отнесенная к рассматриваемому диапазону длин волн, называется спектральной интенсивностью излучения (Вт/м 3):

Угловая интенсивность: .

Спектральная угловая интенсивность: .

Закон Планка устанавливает зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела E 0λ от длины волны λ и температуры Т

Закон Стефана-Больцмана: .

Степень черноты: .

3акон Кирхгофа формулируется так: отношение плотности полусферического интегрального излучения к поглощательной способности одинаково для всех тел имеющих одинаковую температуру и равно плотности интегрального полусферического излучения абсолютно черного тела при той же температуре : , где - коэффициент поглощения.

Количество теплоты, которое останется у одного из двух тел: .

Закон смещения Вина гласит – длина волны, которой соответствует максимальное значение интенсивности излучения (E 0λ =max) , обратно пропорциональна абсолютной температуре рис.11

Вопрос №37

Теплообмен излучением между твердыми телами.

На основании законов излучения получено расчетное уравнение лучистого теплообмена между телом 1 произвольной формы и поверхностью другого, большего и охватывающего его тела 2 (рис. 14)

где Q 1,2 – тепловой поток, передаваемый излучением телом 1 телу 2, Вт;

ε 1,2 – приведенная степень черноты тел 1 и 2, определяемая из выражения

F 1 и F 2 – площади поверхностей тел 1 и 2, м 2 ; Т 1 и Т 2 - абсолютная температура поверхностей тел 1 и 2, К.

Такой случай еще называют теплообменом излучением между телом и его оболочкой; внутреннее тело всегда тело 1.

Частный случай рассмотренного теплообмена - теплообмен между двумя параллельными неограниченными стенками (рис. 15). Когда F 1 = F 2 = F , применяют расчетное уравнение теплообмена излучением, а приведенная степень черноты определяется из выражения

Уравнение (2.57)можно использовать для расчета лучистого теплообмена между двумя телами любой формы и произвольного их расположения, только в каждом частном случае для определения приведенных степени черноты и поверхности (для ε 1,2 и F 1,2 ) имеются свои расчетные выражения.

Вопрос №38

Теплопередача чрез плоскую однослойную и многослойную

плоскую стенку

Уравнение теплопроводности: .

Граничные условия первого рода: .

Граничные условия третьего рода: , .

В этом ряду равенств первое уравнение определяет количество теплоты, передаваемой конвекцией (и излучением) от горячего теплоносителя к стенке; второе уравнение – то же количество теплоты, передаваемой теплопроводностью через стенку; третье уравнение – передачу того же самого количества теплоты, передаваемого конвекцией (и излучением) от стенки к холодному теплоносителю.

Выделим из этого ряда равенств разности температур

Складывая левые и правые части уравнений характеризующих разности температур и учитывая, что получим выражение для итоговой разности температур

где –термическое сопротивление плоской стенки (м 2 0 С\Bm )

Отсюда, следует выражение для плотности теплового потока и теплового потока (уравнение теплопередачи плоской стенки)

где q – плотность теплового потока (Вт/м 2) ;

Q – тепловой поток (Вт) ;

k=1/R – коэффициентом теплопередачи плоской стенки (Вт/м 2 ºС)

где -термическое сопротивление теплопередачи плоской стенки (м 2 ºС/Вт);

; - термические сопротивления теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя, теплопроводности плоской стенки и термические сопротивления теплоотдачи со стороны холодного теплоносителясоответственно.

Температура внутренней и наружной поверхности стенки определяется из следующих соображений:

отсюда имеем

В случае многослойной стенки

Вопрос № 39

Теплопередача – передача теплоты от одного носителя к другому через разделяющую их твёрдую поверхность.

Стационарный процесс – процесс, при котором температуры сред не меняются, то есть .

Нестационарный процесс – процесс, при котором температуры сред меняются, то есть .

Для криволинейных стенок коэффициент теплопередачи принято определять по тому же уравнению, что и для плоской стенки В этом случае для криволинейных стенок расчетная поверхность теплопередачи определяется из выражения

Водяной эквивалент поверхности теплопередачи .

Для цилиндрических стенок: .

Линейный коэффициент теплопередачи: .

Коэффициент теплопередачи для внутренней стенки: .

Коэффициент теплопередачи для внешней стенки: .

Вопрос №40-41

Классификация теплообменных аппаратов.

1. По типу действия:

a. Аппараты поверхностного типа – аппараты, в которых передача теплоты идёт при наличии твёрдой поверхности.

i. Регенеративные аппараты – аппараты поверхностного типа, в которых твёрдая поверхность попеременно омывается горячим и холодным теплоносителями. Эти аппараты используются в случаях, когда теплоносители обладают высокими температурами, или когда теплоносители не являются чистыми.

ii. Рекуперативные аппараты – аппараты поверхностного типа, в которых твёрдая поверхность омывается непрерывно горячим и тёплым теплоносителями через разделяющиеся поверхности.

1. Кожухо-трубные теплообменные аппараты.

2. Аппараты типа «труба в трубе»:

a. Однопоточные аппараты типа «труба в трубе».

b. Многопоточные аппараты типа «труба в трубе».

b. Аппараты смесительного типа – аппараты, в которых идёт непосредственное перемешивание горячих и холодных теплоносителей.

Схема аппарата типа «труба в трубе»:

Аппараты такого типа имеют простую конструкцию и высокие скорости потока, однако, для получения больших мощностей аппарата требуется установка большого количества элементов конструкции и сам аппарат будет занимать много места.

Схема аппарата кожухо-трубчатого типа:

В таких аппаратах возможно создание прямоточных, противоточных, перекрёстноточных, U-образных симметричных и других потоков.

Тепловой баланс теплообменного аппарата: , где - коэффициент эффективности теплового аппарата, .

1. (гидравлическое сопротивление мало), тогда , , , при .

2. Конденсатор.

3. Испаритель.

Мощность теплового аппарата (уравнение Гросгофа) : , где - средняя разность температур.

Для прямотока: , .

Для противотока: , .

Где и - водяные эквиваленты поверхности теплообмена.

Для любой схемы может быть определено в соответствие с двумя методиками:

1. Классическая методика: , где - коэффициент, зависящий от типа и свойств теплого аппарата, определяется по графикам функций и .

2. Метод Белоконя. Индекс противоточности:

Для прямотока .

Для противотока .

Для U-образной симметричной схемы .

Для любой схемы средняя разность температур: .

Вопрос №42

Различают два типа расчётов тепловых аппаратов:

1. Расчёт первого рода (конструктивный). Известно: , , , , , , , . Задача: Выбор или конструирование теплообменного аппарата ( , ). , и - температура конденсации.

1. Парокомпрессионные холодильные машины, в которых рабочим телом является пар, а рабочий процесс протекает в компрессоре.

2. Воздушные холодильные машины, в которых рабочим телом является воздух.

3. Абсорбционные холодильные машины, в которых идёт поглощение паров водными растворами.

4. Пароструйные холодильные машины, имеющие инжекторы в качестве исполнительного механизма.

Рабочий процесс парокомпрессионной холодильной установки:

1-2 – адиабатическое сжатие; 4-5 – процесс дросселирования.

Схема парокомпрессионной холодильной установки:

Такие установки работают в следующем интервале температур: .

8. Пароструйные холодильные машины, имеющие инжекторы в качестве исполнительного механизма.

Статьи по теме