Механизм передачи тепла теплопроводностью

Строительный институт

 

Кафедра Теплогазоснабжения и вентиляции

 

ТеОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

 

Методические указания для практических занятий

для студентов направления подготовки 08.03.01 Строительство,

профиль подготовки Теплогазоснабжение и вентиляция

всех формы обучения

 

 

Составитель

Т.И.Демина,

Старший преподаватель

 

 

    Тюмень

ТИУ

2017

 

 

Теоретические основы теплотехники: методические указания для практических занятий для студентов направления подготовки 08.03.01 Строительство, профиль подготовки Теплогазоснабжение и вентиляция всех формы обучения  составители: Т.И.Демина – Тюменский индустриальный университет. - 1-е изд. – Тюмень: Издательский центр БИК, ТИУ, 2017. – 32 с.

 

Ответственный редактор: Т.С. Жилина, к.т.н., доцент.

 

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию
на заседании кафедры Теплогазоснабжения и вентиляции «23» марта 2017 года, протокол № 8.

 

Аннотация

 

Методические указания для выполнения практических занятий по дисциплине «Теоретические основы теплотехники» предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 строительство, профиль подготовки  Теплогазоснабжение и вентиляции, всех формы обучения .

В методических указаниях рассмотрены физические основы, положения и закономерности, с помощью которых описываются процессы переноса теплоты и вещества. Изложены методы расчета процессов тепло - и массопереноса. Даны основные указания для выполнения контрольных работ, для самостоятельной работы с учебной литературой и контрольные задания.

В процессе работы студенты получают навыки практического применения теоретических знаний и решения комплексных инженерных задач.

Методические указания направлены на формирование следующих компетенций:

профессиональных:

способность выявить сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлечь их для решения соответствующий физико-математический аппарат (ОПК-2).

 

                                             

СОДЕРЖАНИЕ

1	Общие методические указания	4
1.1	Указания к самостоятельной работе по учебным пособиям	4
1.2	Указания к решению задач	4
1.3	Указания к выполнению контрольных работ	5
2	Теплопроводность	6
2.1	Механизм передачи тепла теплопроводностью	6
2.2	Температурное поле	7
2.3	Закон Фурье	7
2.4	Передача тепла теплопроводностью через плоскую стенку	7
2.5	Передача тепла через цилиндрическую стенку	9
3	Конвективный теплообмен	10
3.1	Механизм передачи тепла конвекцией	10
3.2	Закон Ньютона - Рихмана	11
3.3	Коэффициент теплоотдачи	11
3.4	Теория подобия	12
3.5	Схема расчета коэффициента теплоотдачи	14
4	Теплопередача	14
5	Теплообменные аппараты	15
6	Лучистый теплообмен	18
7	Массообмен	19
	Контрольная работа №1	22
	Контрольная работа №2	24
	Библиографический список	27
	Приложение 1	28
	Приложение 2	29
	Приложение 3	30
	Приложение 4	32

 

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Указания к самостоятельной работе по учебным пособиям

1. Изучать курс систематически в течение всего, учебного процесса.

2. Выбрав какое – либо учебное пособие в качестве основного для изучения данного курса, необходимо придерживаться данного пособия. Замена одного пособия другим может привести к утрате логической связи между отдельными вопросами. Если выбранное пособие не дает полного или ясного ответа на некоторые вопросы программы, необходимо обращаться к другим учебным пособиям.

3. При работе с учебным пособием необходимо выделять главные, основные законы формулы, определения, и единицы их измерения, кратко составлять конспект по проработанной теме.

4. После изучения каждой темы составлять контрольные вопросы и ответы на них, делая соответствующие выводы по каждой теме.

5. Для более полного понимания изученной темы необходимо в конце изучения темы прорешать практические задачи.

6. Прослушать курс лекций по данной дисциплине, организуемой для студентов – заочников, пользоваться консультациями.  

 

Указания к решению задач

1. Четко сформулировать сущность задачи, её физический и практический смысл, а также цель решения.

2. Сделать чертеж, помещающий содержание задачи (в тех случаях, когда это возможно), выполнить его аккуратно, с помощью чертежных принадлежностей.

3. Записать исходную формулу, по которой необходимо найти неизвестную величину и далее остальные необходимые формулы.

Дать их словесную формулировку, разъяснив буквенные обозначения.

4. Сопровождать решение задачи краткими, но исчерпывающими пояснениями.

5. В формулы для решения задач подставлять числовые значения величин, выраженных в единицах одной системы.

Указания к выполнению контрольных работ

К выполнению контрольных работ, студент – заочник приступает только после изучения материала, соответствующего данному разделу программы. Задание выбирается по двум последним  цифрам зачетной книжки.

При выполнении контрольных работ студенту необходимо руководствоваться следующим:

1. Контрольные работы выполняются в обычной школьной тетради, на обложке которой, приводятся сведения по следующему образцу:

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации Тюменский индустриальный университет     Кафедра теплогазоснабжение и вентиляция   Контрольная работа по дисциплине «Теоретические основы теплотехники»   Выполнил:   Проверил:     Тюмень, 2017 г.

 

 

2. Условия задач к контрольной работе переписываются полностью без сокращений.

Для замечания преподавателя оставляются поля.

3. В конце контрольной работы указывается, каким учебником или учебным пособием студент пользовался при изучении осеннего курса (название учебника, автора, год издания).

4. Высылать на рецензию следует одновременно не более одной работы.

5. Если контрольная работа не зачтена, при рецензировании студент обязан предоставить её на повторную рецензию, включив в неё те задачи, решение которых оказались не верными.

6. Зачтенные контрольные работы предъявляются экзаменатору. Студент должен быть готов во время экзамена дать пояснения по существу решения задач входящих в контрольную работу.

Основы теории теплообмена

 

В учении о теплообмене рассматриваются процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах.

Для распространения теплоты в любом теле или пространстве необходимо наличие разности температур в различных точках тела.

Т е п л о о б м е н – это самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участников тел) к менее нагретым.

Различают теплообмен: т е п л о п р о в о д н о с т ь ю,  к о в е к т и в н ы й т е п л о о б м е н и т е п л о о б м е н и з л у ч е н и е м.

Совокупность всех трех видов переноса теплоты называют сложным теплообменом. Изучение закономерностей сложного теплообмена – довольно трудная задача. Поэтому изучают порознь каждый из трех видов теплообмена.

 

Теплопроводность

 

Механизм передачи тепла теплопроводностью

Рассмотрим первый вид теплообмена – теплопроводность.

Т е п л о п р о в о д н о с т ь – это перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате взаимодействия микрочастиц. В металлах перенос энергии в основном происходит в результате диффузии свободных электронов, в жидкостях – с помощью упругих волн, а в газах – путем диффузии молекул и атомов.

Теплопроводность приводит к выравниванию температуры тела и в чистом виде имеет место лишь в твердых телах.

 

Температурное поле

 

Рассмотрим распространение тепла в твердом теле, считая его сплошной средой. Целью аналитического исследования теплопроводности является изучение пространственно-временного распределения температуры в среде, т.е. нахождение температурного поля

                                            (2.1)

Т е м п е р а т у р н о е п о л е – это совокупность значений температуры во всех точках изучаемого тела для каждого момента времени. Зная температурное поле, можно определить поток тепла в каждой точке тела.

      

Закон Фурье

Основой закона теплопроводности – это закон Фурье: количество переносимой энергии, определяемое как плотность потока, пропорционального градиенту температуры

, Вт/м²                                            (2.2)

 

q - п л о т н о с т ь т е п л о в о г о п о т о к а – это количество теплоты, проходящее через единицу площади в единицу времени.

gradt - г р а д и е н т о м т е м п е р а т у р ы называется предел отношения изменения температуры  к расстоянию  между изотермами по нормали:

                               (2.3)

 

λ - коэффициент теплопроводности, характеризует способность тела проводить тепло. Численное  значение  коэффициента теплопроводности определяет количество теплоты, проходящее через единицу изотермической поверхности в единицу времени при условии, что градиент температуры равен (grad t=1), измеряется (Вт/м*К).

Коэффициент  зависит от плотности, влажности и температуры твердого тела.

Для большинства веществ он определяется опытным путем и для технических расчетов берется из справочных данных.