Жылуалмасу түрлері туралы ақпарат

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 12 бет
Таңдаулыға:

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

СЕМЕЙ қаласының ШӘКӘРІМ атындағы МЕМЛЕКЕТТІК УНИВЕРСИТЕТІ

Инженерлік-технологиялық факультет

(факультеттің атауы)

«Техникалық физика және жылуэнергетика» кафедрасы

(кафедраның атауы)

СӨЖ

(жұмыстың аты)

Мамандыққа кіріспе

(пән аты)

Жылу алмасу түрлері

(жұмыстың тақырыбы)

Орындаған: ТЭ-517 тобы студенті Тексерген: Сейсенбаева М. К.

(Оқытушының аты-жөні)

Молдаш Е. Қ

(қолы) (Студенттің аты-жөні)

(баға) (күні) (қолы) (күні)

Семей қ.

2015 ж.

МАЗМҰНЫ:

КІРІСПЕ3

1. Жылу алмасу түрлері. 4

1. 1 Жылуөткізгіштік. 4

1. 1. 1 Жылуөткізгіштіктің негізгі заңдары. 4

1. 1. 2 Стационарлы кезіндегі жылуөткізгіштік 6

1. 2 Конвекция. 7

1. 2. 1 Ерікті және еріксіз конвекция. 8

1. 2. 2 Ньютон-Рихман заңы. 9

1. 3 Жылулы сәуле шығару. 9

2. Жылу алмасу аппараттары10

2. 1 Жылуалмастырғыш. 10

ҚОРЫТЫНДЫ:12

ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР:13

КІРІСПЕ

Әртүрлі температурасы бар екі дене жанасқан кезде, құрылымдық бөлшектердің (молекулалар, атомдар, бос электрондар) қозғалыс энергияларымен алмасу пайда болады, сол үшін температурасы төмен дененің бөлшектерінің қозғалу қарқындылығы өседі, ал температурасы жоғары дененің бөлшектерінің қозғалу қарқындылығы азаяды. Нәтижесінде жанасқан денелердің біреуі қызады, ал екіншісі суиды. Көбірек қызған дененің бөлшектерімен суық дененің бөлшектеріне беретін энергия ағыны жылу ағыны деп аталады. Сонымен жылу алмасудың пайда болуының жалғыз шарты-қарастырылып отырған денелердің арасында температуралар айырмашылығының болуы, осымен бірге жылу ағыны кіші температуралар жағына бағытталады.

Жылу алмасудың техникадағы да, табиғаттағы да маңызы - денелердің физика-химиялық қасиеттері негізінде температураға, яғни жылулық күйіне байланысты. Жылулық күй жылу алмасудың шарттарымен анықталады, сол үшін олар заттың агрегаттық күйінің өзгеру процесстеріне, химиялық реакциялардың өтуіне (жеке алғанда жану процессіне), денелердің механикалық, электризоляциялық, магниттік және басқа қасиеттеріне шешуші ықпал тигізеді.

Жылу беру немесе жылу алмасу дегеніміз кеңістіктегі жылудың таралуының өздігінен өтетін қайтымсыз процесстері туралы оқу. Жылудың таралу процессі деп қарастырылып отырған жүйенің жеке элементтері мен аумақтарының арасындағы ішкі энергиямен алмасу алынады. Жылу алмасу негізгі үш тәсіл арқылы іске асырылады: жылу өткізгіштік, конвекция және жылулық сәулелену арқылы.

Жылу өткізгіштік дегеніміз қарастырылып отырған кеңістіктегі температураның өзгергіштігімен шартталған, денелердегі (немесе олардың арасындағы) жылудың молекулярлық тасымалдануы.

Булы қазандарда жылудың оттық газдан қайнатпалық құбырдың сыртқы беттеріне тасымалдану процесі барысында жылу айырбастың үш түрінің барлығы бір уақытта қатысады - жылу өткізгіштік, конвекция және жылулық сәулелену. Қайнатпалық құбырдың сыртқы беттерінен ішкі беттеріне күйе қабаты, металл қабырғасы және тосап қабаты арқылы жылу жылуөткізгіштік жолымен беріледі. Құбырлардың ішкі беттерінен суға жылу жылуөткізгіштік және конвекция арқылы беріледі, демек, жылудың өтуі кезеңдерінде жылу айырбастың элементарлық түрлері ең әртүрлі үйлестірулерде кездеседі. Есеп-қисаптарда осындай күрделі процестерді кейде біртұтас деп санау мақсатқа лайықты болады. Дәл осылай, ыстық сұйықтықтан салқынға оларды бөлуші қабырға арқылы жылудың берілуі жылу жеткізу процесі деп аталады.

1. Жылу алмасу түрлері

Әртүрлі температудағы денелерде жылу энергиясының бірінен екіншісіне өтуі жылу алмасу процесі деп аталады.

Жылу алмасу түрлері: жылуөткізгіштік, конвекция, сәуле шығару.

1. 1 Жылуөткізгіштік.

Бір-біріне тиісіп тұратын өте кіші бөлшектердің тәртіпсіз қозғалысының нәтижесінде жылу өту процессі - жылу өткізгіштік деп аталады. Бұл қозғалыс газдар және тамшымалы сұйықтарда молекулалардың қозғалысы қатты денелерде кристалдық тордағы атомдардың тербелісі немеесе металдардағы еркін электрондар диффузиясы болуы мүмкі. Қатты денелердің жылу таратуының негізгі түрі жылу өткізгіштік болып табылады.

Механика 006

1-сурет. Жылуөткізгіштік

1. 1. 1 Жылуөткізгіштіктің негізгі заңдары.

Жылулықтың таралу процессін жалпы алғанда және жылу өткізгіштік сондай-ақ, дененің температурасының таралуымен тығыз байланысты. Сондықтан, алдымен температуралық өріс және температура градиенті ұғымдарымен байланыстығын анықтау керек. Температуралық өріс деп, сол моменттегі қаралып отырған дененің барлық нүктелеріндегі температураларының лездегі, сол момент уақыттағы, шамаларының жиынтығын айтады. Егер, дененің қандай болмасын, температурасының уақыт аралығында өзгермеуі және сондықтан, ол, тек ғана, кеңістіктегі координат нүктелерінің (x, y, z) функциясы болуы, онда, мұндай температуралық өрісті тұрақталған немесе тұрақты деп атайды. Егер температура уақытқа байланысты болса, яғни t = f(x, у, z, Ί), онда, температуралық өріс тұрақталмаған немесе тұрақсыз деп аталады. Температуралық өрістің, қарапайым категориясы болып, бір өлшемді тұрақталған өрісі болып есептеледі, ол, бір координатты өске бағытталған, температураның өзгеруін сипаттайды.

Өрістегі барлық нүктелердің, бірдей температуралықтарын қосып сыза, изотермиялық бетті табамыз. Бұл беттер, бір бірімен қиылыспайды; олар, өзімен тұйықталмайды, немесе дене шекарасында бітеді. Жылулықтың денеде таралып өтуі, тек ғана, бір изотермиялық беттен екінші жағына температураның төмендеуі бағытында болады. Денедегі, жылулықтың таралу жолы, изотермиялық бетке нормалы бағытпен сәйкес келеді.

Δn нөлге үмтылғандағы, изотермиялардың аралық қашықтығының, Δt температура шегінде өзгеру қатынасын температуралық градиенті деп атайды:

grad t = lim (Δt/Δn) Δa→0=dt/ḋn (1)

Оның, оң бағытта қолдануы температураның ұлғаю бағыты болып есептеледі. Жылулық мөлшері қатынасының, тең шамадағы бет арқылы өтетін уақыттағысы, бұл жылу мөлшерінің - осы бет арқылы өтуін, жылулық ағыны деп атайды.

Ф = dQ/d'Ί, Вт (2)

Егер ағын тұрақты болса: Ф = Q/Т Жылулық ағынының беттік тығыздығымен - жылулық ағынының, ауа бетінің қатынасына тең, шама арқылы, осы ағын ағып өтеді, (Вт/м2) .

q = dФ/dҒ немесе q = Ф/Ғ (3)

Жылу жүргізгіштің (Фурье) негізгі заңына сәйкес, жылулық ағынының тығыздығы, градиент температурасына пропорционалды болады:

-λ grad t = -λḋt / ḋn (4)

Осы формуланың, оң жақ бөлігіндегі теріс таңбаның көрсетуі, таралу бағытындағы, дененің жылулық температурасы азаяды және шама grad t, теріс таңбалы шамада болады. Сонымен, жылу жүргізгішпен берілген жылулық мөлшерін, мына формуламен табады:

dQ = -λ(t/n) dF d'Ί (5)

Бұл байланыстылықты 1822жылы Ж. Фурье анықтаған және оны Фурье заңы деп атайды: жылулық мөлшерін, жылу жүргізгіштік жолымен берілуі, температураның төмендеуіне, пропорционалды уақытына және қима ауданына, жылулықтың таралу бағытына перпендикулярлы болады. Қарапайым жағдайда, қашан жылулық жазық қабырғамен және бір бағытта (х өсі бойымен) таралса, онда Фурье заңы былай жазылады:

qx = -λḋt/ḋn = -λḋt/ḋx (6)

λ = - q/grad t (7)

Теңдеудегі (-λ grad t = -λḋt / ḋn) көбейткіш х, пропорционалдылығының жылужүргізгіштігі деп атайды. Ол, физикалық көрсеткіш болып, дененің жылулық өткізгіштік қабілеті немесе үдемелі қарқындылығын сипаттайды, заттардың жылу жүргізгіштік процессі және температуралық градиенті кезіндегі, жылу жүргізгіштік әрекетінің жылулық ағыны, тығыздығының санына тең, ол бірге тең. Сонымен, X - өлшем бірлігі Вт/(мК) .

Заттардың жылу жүргізгіштігі әр түрлі және өте көп санды факторларға байланысты. Газдар үшін, елеулі болып, температурасы мен қысымдары жатады. Мысалы, газ үшін, температураның көбеюінен, жылу жүргізгіштігі артады, ал өте қыздырылған бу үшін, сол сияқты артады, қысымы да, дәл солай артады; сұйықтар үшін, температураның артуынан біраз азаяды. Бұған, су қосылмайды, оның шамамен 120°С температура кезінде, жылу жүргізгіштігі максимумда болады, ал одан ары температурасын көбейткен сайын, судың X кемиді. Көп металлдар үшін, температура ұлғайған сайын, X кемиді. құрылыс материалдары үшін, кеуектілігі мен ылғалдығы ерекше шамасында болады. Кеуектілігі көбейген сайын, X азаяды, себебі материалдардың кеуегі газбен толып, аз жылу өткізгішті болады.

Жылуөткізгіштік стационарлы және стационарлы емес болып екіге бөлінеді.

1. 1. 2 Стационарлы кезіндегі жылуөткізгіштік

Қарапайым және көп тараған тапсырма ретінде жылу тығыздығыны ағынын анықтау болып табылады. Қабырға беттеріндегі температуралар және қабырғаның қалыңдығы болатын жазық қабырғада өтетін жылу ағынының тығыздығы, Вт/м2, мына төмендегі формуламен анықталады.

(8)

немесе жылулық ағынының қуаты үшін:

(9)

Бұл формула жылулық есептеулерде өте кең таралған. Бұл формула тегіс жазық қабырғалар үшін ғана пайдаланылмайды, сонымен қатар, күрделі қабырғалар қабаты үшін де қолданылады.

Тегіс жазық көпқабатты қабырғалар үшін мына формуламен қолданады:

(10)

Цилиндрлық қабырғалар құбырлар арқылы берілетін, жылу тасмалдағыштар құбырлар арқылы жиі қозғалады және құбырдың цилиндрлік қабырғасы арқылы берілетін жылу ағынын есептеу қажет болады.

Бірқабатты цилиндрлық қабырғалар арқылы өтетін жылу ағыны, Вт мына формуламен анықталады:

(11)

Көп қабатты цилиндрлік қабырға үшін:

(12)

Шар тәріздес қабырғалар үшін, Вт мына формула арқылы анықталады:

(13)

1. 2 Конвекция

Сұйықтың барлық массасының қозғалысы қаншалықты қарқынды араласса, конвекция арқылы жылуалмасу соншалықты қарқынды өтеді. Сонымен, конвекция сұйық қозғалысының гидродинамикалық шартына көп байланысты болады. Ағынның ядросына жылуалмасуы жылуөткізгіштік және конвекция мен өткізіледі. Жылудың мұндай бірлесіп алмасуын конвекциялы жылуалмасу деп атайды.

Ортаның турбулентті қозғалысында ағын ядросындағы жылуалмасуы механизмі турбуленттік толқысулық салдарынан болатын араласудың қарқындылығымен сипатталады. Турбулентті толқысулық ядродағы температулардың мәнінің кейбір орташа t - ге дейін теңесуін қамтамасыз етеді. Сондықтан, ядродағы жылуалмасу ең алдымен тасымалдағыштың қозғалыс сипатымен анықталады. Қабырғаға жақындаған сайын жылу берудің қарқындылығы төмендейді. Қабырға жанында қалыңдығы  - ға тең жылулы шекаралық қабат т. б. Бұл қабат гидродинамикалық шекаралық қабатқа ұқсас болады, бірақ олардың қалыңдығы әртүрлі.

Конвекция жылуалмасу механизмнің өте күрделілігіне байланысты жылу беруді есептеу қиын. Қабырғадан сұйыққа (немесе сұйықтан қабырғаға) берілген жылу шамасын дәл есептеу үшін қабырға жанындағы температуралық градиентті және бет бойынша жылу тасымалдағыштың температуралық өзгеруін білу керек. Бұларды анықтау өте қиын

1. атмосферада - жер бетіндегі неғұрлым жылыған (тығыздығы кем) ауа массасының немесе ағынының жекелеген бөліктерінің жоғары көтеріліп, онымен бір мезгілде неғұрлым салқын (тығыздау) ауа массасының төмен түсуі. Әдетте, ауаның көтерілу жылдамдығы бірнеше м/с болады (кейде 20-30 м/с-ке дейін барады) . Конвекцияның нәтижесінде конвекциялық бұлттар мен конвекциялық жауын-шашындар түзіледі;

2. мұхиттағы конвекция- температура немесе тұздылықтың өзгеруі нәтижесінде судың тығыздығы өзгеруінен туындайтын вертикаль қозғалысы. Конвекция нәтижесінде су араласып, оның вертикаль бойынша физикалық және химиялық сипаттары теңеседі, төменгі қабаттары оттекпен және жоғары қабаттары қоректік заттармен молығады.

3. қатты денелерде және вакуумда конвекция болмайды. ( 2 - сурет )

2 - сурет

1. 2. 1 Ерікті және еріксіз конвекция

Тұрмыста және техникада кеңінен қолданылатын табиғи конвекция жеткіліксіз болғанда, еріксіз конвенцияны пайдаланады. Мысалы, ауаның немесе газдың жылдам және біркелкі жылуы үшін оларды сорғымен немесе араластырғышпен араластырады. Салмақсыздық жағдайында табиғи конвекция мүмкін емес. Сондықтан ғарышқа ұшу барысында еріксіз конвекцияның көмегінсіз жасанды серіктің корпусы салқындамайды, шам жанбайды. Онда шырпыны, газ жанарғысын пайдалануға болмайды, өйткені жану өнімдері жалыннан алыстатылмайды және ол оттектің жетіспеушілігінен өшіп қалады.

Конвекция- атмосферада - жер бетіндегі неғұрлым жылыған ауа массасының немесе ағынының жекелеген бөліктерінің жоғары көтеріліп, онымен бір мезгілде неғұрлым салқын ауа массасының төмен түсуі. Әдетте, ауаның көтерілу жылдамдығы бірнеше м/с болады (кейде 20 - 30 м/с-қа дейін барады) . Конвекцияның нәтижесінде конвекциялық бұлттар мен жауын-шашындар түзіледі.

3-сурет. Конвекция

Cұйық немесе газ бөлшектерінің температурасындағы айырмашылықтар әсерінен туындайтын, сол бөлшектердің жоғары-төмен қозғалуымен сипатталатын ағым.

1. 2. 2 Ньютон-Рихман заңы.

Жылуберудің есептеуін жеңілдету үшін оның негізіне Ньютонның суыту заңын пайдаланады. Бұл заң бойынша: жылуалмасу бетінен сұйыққа (немесе керісінше сұйықтан қатты дене бетіне) берілген жылу мөлшері (dQ) қабырға бетіне (df) қабырға мен сұйықтың температураларының айырмасына (tқ-tс) және уақытқа (d) тура пропорционал:

(14)

мұндағы, α - жылуберу коэффициенті деп аталады. Жылуберу коэффициентінің мәні қабырға мен қоршаған орта (тамшылы сұйық немесе газ) арасындағы жылу алмасудың қарқындылығын сипаттайды. Оның α өлшем бірлігі Вт/м²к.

1. 3 Жылулы сәуле шығару.

Жылу энергиясының электромагнитті толқындар жәрдемімен таралуы - жылулы сәуле шығару деп аталады. Бұл кезде жылу энергиясы кеңістікпен өтіп сосын сәулелі энергияға басқа денемен сіңіріліп қайтадан жылу энергиясына айналады. Іс жүзінде жылу алмасу бөлек алынған 1 ғана тәсілмен емес, бірнеше тәсілдермен өтеді. Мысалы, қатты қабырға мен газ арасындағы жылу алмасу конвекция, жылуөткізгіштік және жылулы сәуле шығарутәсілдерімен өтеді. жылудың қатты қабырғадан оны ағыстап өтетін газға (сұйыққа) немесе кері кері бағытта алмасуын - жылу беру деп атайды.

Ыстық газдан (сұйықтан) суық газға (сұйыққа) оларды бөліп тұрған қатты қабырға немесе бет арқылы жылу өту күрделілеу болады. Бұл процесті жылу өту деп атайды. Үздіксіз әрекетті аппараттарда әртүрлі нүктелердегі температура уақыт бойынша өзгермейді, мұндай аппараттардағы процес қалыптасқан (стационарлы) болады. Мерзімді әрекетті аппараттарда температура уақыт бойынша өзгереді. (Мысалы, ысытқанда немесе суытқанда), яғни жылу алмасу процесі қалыптаспаған (стационарлы емес) болады.

3-сурет. Жылулық сәуле шығару

Жылу шығару

1. қыздырылған дененің қоршаған кеңістікке сәуле таратып жылу шығару қабілеттілігі;

2. қыздыру көзінің түрлеріне қарамастан металлургиялық процестің барлық түрлерінде де жьшу шығады, демек, жылу беріледі. Жылу шығару теориясы энергияны тасымалдау жөніндегі ілімнің тармағы. Жылу шығару заттың агрегатгық күйіне, оның физикалық және химиялық қүрамына байланысты. Жылу өткізгіштік, конвекция жөне жылулық сәуле шығару қүбылыстары негізінде жүреді. Жылу шығару процесі кей жағдайларда бірнеше құбылыстардың қабаттас жүруімен де іске асырылады.

2. Жылу алмасу аппараттары.

Жылу алмасу аппараттары деп бір сұйықтан бір сұйыққа жылу беретін аппараттарды атайды. Құрылысы бойынша жылу аппараттары:

-рекуперативті;

-регенеративті;

-араластырмалы болып бөлінеді.

Рекуперативті аппарат жылу алмасатын сұйықтардың ағым бағытына байланысты бір бағытты ағынды, қарсы бағытты ағынды, көлденен бағытты ағынды болып бөлінеді.

Рекуперативті аппаратта бір сұйық екінші сұйықтан қатты қабырға арқылы бөлінеді.

Регенеративті аппаратта жылу алмасу аппаратының арналған бөлшектері жылу беретін сұйықтың жылуын өз бойына жинап алады да, осы бөлшектер арқылы жылу алатын сұйық өткен кезде бойындағы жиналған жылуды осы сұйыққа береді.

Жылу алмасу аппаратын есептеген кезде келесі сұрақтарға жауап береді.

1. Жылу алмасу бет аудыны берілсе, екі сұйықтың температурасы берілсе, онда сол беттен өтетін жылудың мөлшерін анықтайды.

2. Алмасатын жылудың мөлшері берілсе, екі сұйықтың температурасы берілсе, онда жылу алмасу бетінін ауданын анықтайды.

Жылу алмасу аппаратының есептеу негізіне жылу теңдеулігінің теңдеу (балансының) және жылу берудің формуласы алынған:

Q=kFΔt