- •Введение
- •Теория теплопроводности
- •Механизмы переноса тепла
- •Методы изучения физических явлений
- •Температурное поле
- •Тепловой поток. Закон Фурье
- •Коэффициент теплопроводности
- •Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •Уравнение теплопроводности
- •Лекция № 2 Условия однозначности для процессов теплопроводности
- •Граничные условия:
- •Теплопроводность в стационарном режиме
- •Многослойная стенка
- •Переменный коэффициент теплопроводности
- •Линейная плотность теплового потока:
- •Критический диаметр цилиндрической стенки
- •Передача теплоты через шаровую стенку
- •Плотность теплового потока
- •Теплопроводность при наличии внутренних источников теплоты
- •Теплопроводность однородной пластины
- •Теплопроводность однородного цилиндрического стержня
- •Нестационарные процессы теплопроводности
- •Аналитическое описание процесса
- •Анализ полученного решения
- •Охлаждение длинного прямоугольного стержня
- •Охлаждение цилиндра конечной длины
- •Приближенные методы решения задач теплопроводности
- •Метод конечных разностей
- •Численные методы решения задач теплопроводности при нестационарном режиме
- •Метод конечных элементов
- •Исследование процессов теплопроводности методом аналогий
- •Электротепловая аналогия
- •Конвективный теплообмен Основные понятия и определения
- •Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена
- •Уравнение энергии
- •Уравнения движения
- •Уравнение сплошности
- •Гидродинамический и тепловой пограничные слои
- •Уравнение теплоотдачи.
- •Тепловой пограничный слой
- •Подобие и моделирование процессов конвективного теплообмена
- •Приведение математической формулировки краевой задачи к записи в безразмерной форме
- •Аналогично преобразуем и уравнение движения
- •Граничные условия
- •Условия подобия физических процессов
- •Следствия из условий подобия
- •Обработка результатов опыта
- •Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности
- •Интегральные уравнения пограничного слоя
- •Теплоотдача при ламинарном пограничном слое
- •Нагрев диэлектриков в электромагнитном поле. Электромагнитное поле в диэлектрике.
- •Плоская электромагнитная волна в диэлектрике
- •Используя соотношения
- •Решение уравнения (1) имеет вид
- •Виды поляризации
- •Зависимости ε и tg δ от частоты и температуры
- •Температурные характеристики релаксационной поляризации
- •Структура электродугового разряда
- •Характеристика приэлектродных областей и протекающих в них процессов
- •Выделяющаяся на аноде мощность
- •Мощность, выделяющаяся на катоде
- •Электроды дуговых установок
- •Термохимический катод
- •Основные закономерности электродугового столба
- •Особенности дуги переменного тока
- •Устойчивость и регулирование параметров электрической дуги
- •Способы зажигания дуги
- •Процессы переноса в дуговых и плазменных электротехнологических установках
- •Физико-технические основы электронно-лучевого нагрева
- •Основы расчета устройств формирования электронных пучков элу
- •Потери энергии электронного пучка и энергетический баланс элу
- •Основы лазерного нагрева. Основные принципы работы лазеров
- •Типы оптических квантовых генераторов
- •Лазеры твердотельные с оптической накачкой
- •Основы технологии светолучевой обработки
- •Литература
Введение
Процессы теплообмена и связанного с ним массообмена играют исключительную роль в природе и технике. Действительно, от них зависит температурный режим окружающей среды. От них зависит протекание рабочего процесса в самых разных технологических установках. Неудивительно поэтому, что теория теплообмена интенсивно развивалась, особенно в последние десятилетия. Это связанно с потребностями теплоэнергетики, атомной энергетики, космонавтики. Интенсификация различных технологических процессов, а также создание оптимальных с точки зрения энергозатрат установок немыслимо без глубокого изучения теплофизических процессов, которые имеют место в этих установках.
Цель данной части курса – познакомить слушателей с основами теплопередачи. В курсе мы рассмотрим коротко основные методы решения задач теплопроводности, в том числе и численные методы с применением ЭВМ. Один из разделов будет посвящен конвективному и радиационному теплообмену. В конце курса рассмотрим решение задачи теплопроводности с помощью численного метода – метода конечных элементов.
Тепловые процессы в ЭТУ – это довольно сложные физические явления. При анализе физических процессов необходимо выяснить их движущие силы. При этом сложные процессы часто рассматривают как совокупность простых явлений. То есть, неизбежны некоторые упрощения. Так обстоит дело и при изучении теплопереноса. Обычно эти процессы теплопереноса связаны с процессами массообмена. В совокупности эти явления рассматриваются в процессах сушки, испарения, когда передача тепла обусловлена не только собственно теплопередачей, но и движением массы испаряемой влаги.
Во многих процессах теплообработки, массообмен не играет существенной роли. Например, при нагреве различных твердых объектов. В нашем курсе в большинстве случаев мы будем пренебрегать процессами массообмена.
В соответствии с поставленными задачами данный курс подразделяется (состоит) на две части:
-
в первой части (основной) мы будем рассматривать различные виды теплообмена (теплопроводность, конвективный и радиационный теплообмен);
-
во второй части – рассмотрим теоретические основы электронагрева в различных установках: в печах сопротивления, в установках индукционного, дугового, диэлектрического, плазменного нагрева, в электронно-лучевых нагревательных установках.
Теория теплопроводности
При анализе любого физического процесса исследователь пытается выяснить движущие силы процесса, и если это можно представить в виде простых процессов, то есть упрощение неизбежно.
Механизмы переноса тепла
Теплообмен – необратимые самопроизвольные процессы распространения теплоты в пространстве. Осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью теплоты в пространстве. Наблюдается в твердых телах.
Конвекция – возможна только в текучей среде – это процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой, то есть за счет переноса самой среды. Это перемещение нагретого воздуха вверх за счет того, что он имеет меньшую плотность.
Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела; при этом энергия внутренняя переходит в энергию излучения.
Теплообмен излучением – процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом.
В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты очень часто происходят совместно.
Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.
Процессы теплопроводности и конвективного теплообмена могут сопровождаться теплообменом излучением. Теплообмен, обусловленный совместным переносом теплоты излучением и теплопроводностью, называют радиационно-конвективным теплообменом. Если перенос теплоты осуществляется дополнительно и конвекцией, то такой процесс называют радиационно-конвективным теплообменом. Иногда такие виды теплообмена называют сложным теплообменом.