2-3 - изотермическое расширение с подводом теплоты q2 от "холодного" источника.

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

3-4 - адиабатное сжатие, T увеличивается

4-1 - изотермическое сжатие с оводом теплоты в "горячий" источник.

Холодильный коэффициент:

ξ=

При прочих равных условиях холодильный коэффициент возрастает с повышением значения T₂ или с понижением значения T₁. Холодильный коэффициент обратного цикла Карно может быть как меньше, так и больше единицы. При T₂ → T₁ ξ→∞

2. Что понимается под хладопроизводительностью? Какие хладагенты используются на практике?

Хладопроизводительность - количество теплоты, получаемой 1 кг рабочего тела от "холодного" источника; q₂ , Дж/кг.

Хладагент - рабочее тело парокомпрессорных холодильных установок. В качестве хладагентов применяются те вещества, у которых температура насыщения при атмосферном давлении ниже нуля (0^oC), а критическая температура выше температуры окружающей среды. Эти легкокипящие жидкости не должны вызывать коррозию металла, быть не токсичными и не отличаться чрезмерно высокой плотностью (чтобы не возрастали затраты энергии на циркуляцию). К числу таких веществ относятся: диоксиды углерода, серы; аммиак и различные фреоны.

15. Теплопроводность.

1. Приведите запись уравнения закона Фурье. Поясните понятия тепловой поток, удельный тепловой поток, градиент температур, приведите их размерности.

Уравнение закона Фурье q=-λ Вт/м², λ, Вт/м*К - коэффициент теплопроводности - тепловой поток, проходящий через единицу площади теплопередающей поверхности при единичном градиенте температуры.

Q_c - тепловой поток - количество теплоты, передаваемой в единицу времени, Вт

q, Вт/м² - плотность теплового потока - тепловой поток через единицу площади теплопередающей поверхности.q=

Градиент температуры - вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры, численно равный первой производной от температуры по этой нормали.

Знак "-" в уравнении Фурье означает противоположную направленность теплового потока и градиента температуры.

2. Дайте определение коэффициента теплопроводности, приведите его размерность. Какие материалы называются теплоизоляционными? Охарактеризуйте качественные зависимости от температуры коэффициента теплопроводности тел.

λ, Вт/м*К - коэффициент теплопроводности - тепловой поток, проходящий через единицу площади теплопередающей поверхности при единичном градиенте температуры.

Теплоизоляционные материалы - материалы, у которых при t = 0^oC λ < 0,2 Вт/м*К

Газы: λ увеличивается с ростом T.

Жидкости: λ уменьшается с ростом T (исключения: вода и глицерин).

Твёрдые тела:

Строительный материалы и теплоизоляционные: λ увеличивается с ростом T

Металлы: λ уменьшается с ростом T (исключения: алюминий и некоторые сплавы).

3. Рассмотрите теплопроводность плоских, однослойной и многослойной стенок в условиях одномерности и стационарности процесса. Приведите графики распределения температуры в стенках. Что называется термической проводимостью плоской стенки и ее термическим сопротивлением?

Изменение температуры линейное.

Термическая проводимость - величина, обратная термическому сопротивлению G=1/R, Вт/м²*К - это удельный тепловой поток при перепаде температур ΔT=1К.

4. Рассмотрите теплопроводности цилиндрических, однослойной и многослойной стенок в условиях стационарности процесса и их бесконечной длины. Приведите графики распределения температуры в стенках.

16. Теплоотдача.

1. Поясните кратко физическую сущность явления теплоотдачи и влияния характера движения жидкости на этот процесс переноса теплоты. Приведите эпюры изменения скорости и температуры вдоль диаметра трубы при ламинарном и турбулентном течениях.

Теплоотдача - конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью пограничной с ней другой среды.

Конвекция - перенос теплоты нагретыми объёмами вещества.

Теплоотдача может быть как при свободной, так и при вынужденной конвекции.

Свободная конвекция - перенос теплоты при естественном движении среды вследствие разности плотностей неодинаково нагретых масс.

Вынужденная конвекция - перенос теплоты при принудительном движении среды под действием механических устройств или из-за разности давлений.

Теплоотдача зависит от режима движения среды, который может быть ламинарным (Re 2300) или турбулентным (Re > 10⁴).

Среда движется параллельным слоями без перемешивания w_max/w_ср = 2 . Перенос теплоты вдоль потока осуществляется конвекцией, поперёк - теплопроводностью.

Скорость меняется от 0 до w_max в тонком динамическом приграничном слое толщиной δ, здесь теплота передаётся теплопроводностью, за его пределами - конвекцией как вдоль, так и поперёк потока.

2. В чем заключается трудность использования закона Фурье для расчета процесса переноса теплоты при теплоотдаче?

Трудность использования закона Фурье связана с трудностью определить градиент температуры для пограничного слоя (где закон Фурье справедлив).

3. Запишите выражение закона Ньютона. Что понимается под температурным напором? Что называется коэффициентом теплоотдачи? Приведите размерность коэффициента теплоотдачи. Какие факторы оказывают влияние на величину коэффициента теплоотдачи?

Закон Ньютона: плотность теплового потока прямо пропорциональна разности температур среды и тела.

q= α Q_c =α

α - коэффициент теплоотдачи - количество теплоты, переданное в единицу времени через единицу площади поверхности при разнице температур в 1К, Вт/м²*К.

Температурный напор - это разность температур среды и тела, t_f - t_w

Коэффициент теплоотдачи определяется экспериментально, однако зависит от многих факторов α=f( , формы тел)

4. Какая теория и какие уравнения используются для определения коэффициента теплоотдачи? Поясните сущность физического подобия явлений.

Коэффициент теплоотдачи α определяется экспериментально, но для уменьшения числа экспериментов применяют теория подобия.

Физическое подобие: однородные параметры процессов в сходственных точках пространства и в сходственные моменты времени должны быть связаны между собой постоянными коэффициентами - константами подобия.

Для любого явления константы подобия не могут быть взяты произвольно.

Теория подобия: из физических параметров образуют безразмерные комплексы - критерии подобия. По результатам эксперимента в определённых условиях при изменении какого-либо физического параметра вычисляют численные значения критериев и находят зависимость определяемого критерия подобия, в который входит искомая физическая величина ( ), от других критериев подобия.

Эта зависимость называется критериальным уравнением

5.Назовите основные уравнения, входящие в систему, описывающую явление теплоотдачи. Для чего они используются? Критерии Рейнольдса, Прандтлся, Грасгофа? Какие процессы они характеризуют?

Основные уравнения, описывающие явление теплоотдачи:

1) Уравнение связи коэффициента теплоотдачи и градиента температуры в пограничном слое:

2) Дифференциальное уравнение теплопроводности в движущейся среде

3) Уравнение движения среды (уравнение Навье-Стокса для капельной жидкости):

4) Дифференциальное уравнение неразрывности (сплошности)

Эти уравнения используются вместе с условиями однозначности для образования критериев подобия.

Критерий Нуссельта:

Для физического подобия необходимо, чтобы все однородные величины были связаны между собой константами подобного преобразования:

Nu характеризует соотношение между теплообменом конвекцией и теплопроводностью.

Критерий Рейнольдса Re определяет режим движения среды при вынужденной конвекции и характеризует соотношение между силами инерции и вязкостью.

Критерий Грасгофа Gr определяет интенсивность движения среды при естественной конвекции и характеризует соотношение между подъёмной силой, возникающей вследствие разности плотности среды, и силой вязкости в неизотермической среде.

Критерий Прандтля Pr характеризует теплофизические свойства среды и соотношение динамического и теплового пограничных слоёв

6. Рассмотрите критериальные уравнения для теплоотдачи при вынужденном и свободном движении жидкости. Какие факторы и в какой степени влияют на величину коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении жидкости?

17. Теплообмен излучением.

1. В чем состоит сущность теплообмена излучением? Назовите диапазон длин волн теплового излучения. Поясните понятия абсолютно черного тела, абсолютно белого и диатермического тела. Приведите примеры. Что понимается под поглощательной, отражательной и пропускательной способностями тел?

Теплообмен излучением - это теплообмен, включающий переход внутренней энергии тела (вещества) в энергию электромагнитного излучения, перенос излучения электромагнитными волнами, преобразование энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела (вещества).

Диапазон длин волн теплового излучения λ = 0,8 мкм ... 0,8 мм.

Поглощение - процесс превращения части падающей лучистой энергии во внутреннюю энергию тела. A=E_A/E - коэффициент поглощения.

Отражение - процесс отражения части падающей лучистой энергии: может быть диффузионным (равномерным по всем направлениям) и зеркальным (по законам геометрической оптики). R=E_R/E - коэффициент отражения.

Пропускание - процесс пропускания части падающей лучистой энергии.

D= E_D/E - коэффициент пропускания.

A+R+D=1

- Если A=1 - абсолютно чёрное тело (АЧТ), близки сажа, снег, бархат (A=0,97...0,98)

- Если R=1 - абсолютно белое тело (АБТ), близки полированный металл, зеркальная поверхность (R=0,97)

- Если D=1 - абсолютно прозрачное тело (АПТ), близка каменная соль. АПТ - диатермическое тело.

2. Что понимается под собственным и эффективным излучением?

Собственное - излучение данного тела, зависящее от его свойств и температуры.

Эффективное излучение - сумма собственного и отражённого излучений.

3. Дайте графики и поясните смысл законов Планка и Вина. Рассмотрите закон Стефана-Больцмана. Что называется константой излучения абсолютно черного тела?

Плотность потока излучения - поток излучения с единицы площади поверхности в пределах телесного угла π E=Q/A, Вт/м².

Спектральная плотность излучения - плотность потока излучения на данной длине волны

J_λ=dE/dλ

- Закон Планка: для АЧТ.

Устанавливает зависимость между спектральной плотностью потока излучения, длиной волны и температурой.

- Закон Вина определяет зависимость длины волны λ_max , соответствующей максимальной интенсивности излучения от температуры излучающего тела λ_max=2,9/T

- Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость плотности потока излучения E₀ АЧТ от его температуры:

Этот закон справедлив для других тел в виде E=C(T/100)⁴, где C - коэффициент излучения данного тела, C<C₀.

4. Поясните понятие серого тела. Что называется степенью черноты? Рассмотрите закон Кирхгофа и следствие из него.

Серое тело (СТ) - непрозрачное тело, имеющее, как и АЧТ, сплошной спектр излучения при одинаковом отношении на всех длинах волн.

Степень черноты - отношение плотности собственного излучения тела к плотности собственного излучения АЧТ при той же ℇ= температуре

Закон Кирхгофа устанавливает взаимосвязь между излучающей и поглощающей способностями серых тел, и, как следствие, связь между степенью черноты ε и поглощающей способностью A серых тел.

Отношение излучательной способности СТ к его поглощательной способности одинаково для всех серых тел при данной температуре и равно излучающей способности АЧТ при той же температуре A=E/E₀= ε

Поглощательная способность СТ численно равна степени его черноты.\

5. Рассмотрите лучистый теплообмен между двумя близко расположенными плоскими поверхностями в условиях стационарности процесса.

C_п - приведённый коэффициент излучения.

ε_п - приведённая степень черноты.

6. Какие особенности имеет излучение газов?

Одноатомные и двухатомные газы считаются прозрачными для тепловых волн. Трёхатомные и многоатомные газы обладают значительно большей излучающей способностью.

Спектр излучения этих газов, в отличие от излучения серых тел, имеет избирательный характер.

Они поглощают и излучают энергию только в определённых интервалах длин волн, различных для разных газов. Излучение и поглощение энергии в газах происходит по всему объёму, излучаемая энергия зависит от толщины газового слоя и концентрации излучающих молекул (от парциального давления p_i)

18. Теплопередача.

1. В чем состоит сущность явления теплопередачи? Какие законы используются при расчете процесса теплопередачи? Приведите примеры теплопередачи из области дв c .

Теплопередача - перенос теплоты от одной среды к другой через разделяющую их стенку.

При расчёте процесса теплопередачи используются законы Фурье и Ньютона:

q=-λ q= α

В ДВС процесс теплопередачи происходит через стенку цилиндра двигателя от сгорающей рабочей смеси охлаждающей жидкости и воздуха.

Теплота передаётся теплоотдачей и теплопроводностью.

2. Рассмотрите теплопередачу через плоскую однослойную и многослойную стенки при условиях одномерности и стационарности процесса переноса теплоты.

3. Что называется коэффициентом теплопередачи? Приведите выражение для коэффициента теплопередачи и его размерность. Что понимается под термическим сопротивлением теплопередаче? Приведите выражение для его определения и размерность.

Коэффициент теплопередачи k, Вт/м²*К - величина, обратная термическому сопротивлению теплопередаче.

Термическое сопротивление теплопередаче R, м²*К/Вт - сумма внутреннего термического сопротивления стенки и внешних термических сопротивлений на границах стенки.

α₁ , α₂ , Вт/м²*К - коэффициенты теплоотдачи, n - число слоёв стенки, δ, м - толщина i-го слоя стенки, λ_i ,Вт/м*К - коэффициент теплопроводности i-го слоя стенки.

4. Рассмотрите теплопередачу через цилиндрическую однослойную и многослойную стенки при условиях стационарности и бесконечной длины стенки.

5. Объясните существование целесообразной толщины теплоизолирующего слоя на цилиндрических трубах. Как интенсифицировать теплопередачу при условии α₁>> α ₂

При увеличении d_из увеличивается сопротивление слоя изоляции , но уменьшается сопротивление теплоотдачи .

Определим критический диаметр изоляции, при котором R=R_min ,а Q=Q_max , приравняв производную dR/d(d_из) к нулю:

При заданных d₂ и α₂ изоляция будет эффективной при условии d_{из кр} ≤ d₂₁ , то есть

λ_из ≤ d₂α₂/2

Чтобы интенсифицировать передачу, надо уменьшить термическое сопротивление

19. Теплообменники.

1. Назовите основные типы теплообменных аппаратов. Для каких целей они используются.

Теплообменные аппараты - устройства, в которых осуществляется передача телоты от горячего теплоносителя (газа, пара, жидкости) к холодному.

Основные типы ТОА:

- Рекуперативный

Каналы горячего и холодного теплоносителей разделены, передача теплоты происходит через стенку, разделяющую каналы.

- Регенеративный

Одна и та же поверхность поочерёдно омывается то горячим, то холодным теплоносителем.

- Смесительный

Теплопередача происходит смешением теплоносителей.

2

3. Рассмотрите схемы и графики изменения в функции теплопередающей поверхности рекуперативного теплообменника (от F =0 до F = Fmax ) температур горячей и холодной жидкостей при прямом токе и противотоке.

4. Какие преимущества обеспечивает использование противотока?

При прямотоке конечная температура T_х" холодного теплоносителя всегда меньше конечной температуры T_г" горячего теплоносителя. При противотоке конечная температура холодной жидкости может быть значительно выше конечной температуры горячей жидкости. Следовательно, в аппаратах с противотоком можно нагреть холодную среду, при одинаковых начальных условиях, до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком.

5.