Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова»

И.В. Попереков

Е.С. Сафонова

конспект Лекций

НАГРЕВ И НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Магнитогорск

2010

УДК 536.2 (075)

Рецензенты:

доцент кафедры ТиЭС Магнитогорского государственного технического университета

Ю.И. Тартаковский

главный энергетик ОАО «Белорецкий металлургический комбинат»

С.Е. Соловьев

И.В. Попереков

Е.С. Сафонова

Конспект лекций по дисциплине «Нагрев и нагревательные устройства»: Учеб. пособие - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. – 62 с.

В пособии изложены основные закономерности способов передачи типа: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Приведены сведения и методика расчета времени нагрева металла с применением теории подобия. Рассмотрены схемы и конструкции нагревательных печей.

Конспект лекций предназначен для студентов металлургических специальностей.

УДК 536.2 (075)

© ГОУ ВПО «МГТУ», 2010

© Попереков И.В., 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.

Основы теории тепло- и массообмена………………………………....5

Глава 1. Теплопроводность.

1.1. Температурное поле, градиент температуры и

плотность теплового потока……...…………………………………...…..7

1.2. Дифференциальное уравнение распространения тепла……..11

1.3. Условия однозначности, начальные и граничные условия…...13

1.4. Теплопроводность при стационарном тепловом режиме……..16

1.5. Теплопроводность цилиндрической стенки (трубы)……………19

1.6. Теплопроводность при нестационарном

тепловом режиме……………………………………………………….…21

1.7. О подобии физических процессов……………………………….. 23

1.8. Критериальные уравнения теплопроводности………………….27

Глава 2. Конвективный теплообмен.

2.1. Виды движения теплоносителя……………………………………29

2.2. Динамический и тепловой пограничный слои…………………...32

2.3. Критериальные уравнения конвективного теплообмена……...36

2.4. Условия подобия конвективного теплообмена…………….……40

2.5. Моделирование аэродинамических процессов и

конвективного теплообмена……………………………………..………41

Глава 3. Лучистый теплообмен.

3.1. Основные понятия…………………………………………………...44

3.2. Поглощение, отражение и пропускание лучистой энергии…..45

3.3. Виды лучистых потоков…………………………………………….47

3.4. Основные законы теплового излучения………………………….48

Глава 4.Топливные нагревательные и термические печи

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

4.1.Нагревательные колодцы……………………………………………56

4.2.Методические нагревательные колодцы…………………………57

4.3.Проходные и протяжные печи для термической обработки.. 60

Глава 5. Расчет горения топлива.

5.1 Основные сведения о топливе…………………………………….62

5.2 Теплота сгорания топлива..………………………………………..63

Библиографический список..…………………………………………....71

Введение

Основы теории тепло- и массообмена

Основные виды теплообмена

Тепло самопроизвольно распространяется от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. При наличии разности температур в одном теле или во многих телах (твердых, жидких и газообразных) возникает процесс теплообмена или теплопередачи, который протекает тем интенсивнее, чем больше разность температур. Теплообмен является ложным процессом. Однако ради простоты изучения различают три элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела, т. е. движением микроструктурных частиц вещества (молекул, атомов, ионов, электронов). Обмен энергией между движущимися частицами происходит в результате непосредственных столкновений их; при этом молекулы более нагретой части тела, обладающие большей энергией, сообщают долю ее соседним частицам, энергия которых меньше. В газах перенос энергии происходит путем диффузии молекул и атомов, в жидкостях и твердых диэлектриках — путем упругих волн. В металлах перенос энергии осуществляется колеблющимися ионами решетки и диффузией свободных электронов («электронным газом»): значение упругих колебаний кристаллической решетки в этом случае не имеет большого значения.

Однако в теории теплопроводности не рассматривается движение микроструктурных частиц, поскольку она базируется на анализе макропроцессов. Основной закон теплопроводности – закон Фурье- является феноменологическим описанием процесса и имеет вид

q = - grad t, Вт/м², (1)

где q — плотность теплового потока;

— коэффициент теплопроводности вещества, Вт/(м·град);

grad t— градиент температуры, град/м.

Под конвекцией тепла понимают процесс передачи его из одной части пространства в другую перемещающимися макроскопическими объемами жидкости или газа. В зависимости от причины, вызывающей движение, конвекция может быть свободной (естественной) или вынужденной, происходящей за счет действия внешних сил. Естественное или свободное движение жидкости или газа, а следовательно, и конвекция тепла, вызываются разностью удельных весов неравномерно нагретой среды; принудительное движение осуществляется нагнетателями (насосами, вентиляторами, компрессорами и др.).

Из определения конвекции следует, что количество передаваемого конвекцией в единицу времени тепла прямо связано со скоростью движения среды. Тепло передается главным образом, в результате происходящих потоков жидкости или газа (макрообъемов), но отчасти тепло распространяется и в результате обмена энергией между частицами, т. е. теплопроводностью. Таким образом, конвекция всегда сопровождается теплопроводностью (кондукцией) и, следовательно, теплопроводность является неотъемлемой частью конвекции. Совместный процесс конвекции тепла и теплопроводности называют конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между потоком теплоносителя и поверхностью называют конвективной теплоотдачей или теплоотдачей соприкосновением, описывают формулой Ньютона—Рихмана

, Bт/м², (2)

где q_к — плотность теплового потока;

α_к — коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м²·град);

Δt – средняя разность температур между греющей средой и нагреваемой поверхностью (температурный напор), град.

Величину, обратную коэффициенту теплоотдачи 1/, называюттермическим сопротивлением. Коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от многих факторов и на практике значение его составляет от 2 (от свободно движущегося воздуха к плоскости) до 5000 Вт/(м²·град) и более (от вынужденно движущейся воды в трубах к их поверхности). Оно зависит от скорости потока и характера движения, от формы и размера обтекаемого тела, от свойств и состояния среды.

Тепловое излучение представляет собой процесс превращения тепла в лучистую энергию и передачи ее в окружающее пространство.

При нагревании тел часть тепла в результате атомных возмущений неизбежно преобразуется в лучистую энергию. Носителями лучистой энергии являются электромагнитные волны или в другом представлении фотоны (кванты энергии). Скорость перемещения этих носителей в вакууме составляет около 300·10⁶ м/с. Результирующая плотность теплового потока от излучающей среды с абсолютной температурой Т⁰_окр к поверхности, средняя абсолютная температура которой равна Т_с, определяется по формуле, построенной на законе Стефана-Больцмана

Вт/м², (3)

где—коэффициент излучения,Вт/(м²·К⁴);

—приведенная степень черноты, зависящая от свойств излучающей среды и поверхности и выраженная в долях от степени черноты абсолютно черного тела, принимаемой за единицу.

Природа тепловых и световых (видимых) лучей одна и та же. Электромагнитное поле является формой материи и здесь уместно привести слова академика С. И. Вавилова: «Солнечные лучи несут с собой солнечную массу. Свет—не бестелесный посланник Солнца, а само Солнце, часть его, долетевшая до нас в совершенной, раскрытой в энергетическом смысле, форме, в форме света». Выдающемуся русскому физику проф. П. И. Лебедеву в 1900 г. удалось измерить давление, производимое светом, и таким образом показать материальную сущность света.

Тепловое излучение различных тел определяется их тепловым состоянием, а также природными свойствами. Температура резко влияет на лучеиспускательную способность тел, т. е. на количество энергии, излучаемой единицей поверхности тела за единицу времени. Тело, обладающее при данной температуре наибольшей излучательной способностью, называется абсолютно черным телом. Таких тел в природе не существует, и все реальные тела излучают при одной и той же температуре только часть энергии абсолютно черного тела.

Лучистая энергия, излучаемая нагретым телом в пространство, падает на другие тела и в общем случае частично поглощается ими, частично отражается и частью проходит сквозь тело. Отраженная телом и прошедшая сквозь него часть лучистой энергии рассеивается в окружающем пространстве. Таким образом, лучистый теплообмен или передача тепла лучеиспусканием от одних тел к другим, связан с двойным преобразованием энергии: теплоты—в лучистую энергию и обратно—лучистой энергии в теплоту. Лучеиспускают не только горячие твердые тела, но и трехатомные и многоатомные газы (углекислота, водяной пар и др.). В теплотехнике широко используются продукты сгорания или дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива. Тепло от этих газов передается поверхности нагрева нe только конвекцией, но и лучеиспусканием. В теплоэнергетических установках протекает сложный теплообмен всеми видами распространения тепла. В жидкостях конвекция сопровождает теплопроводность и совместный теплообмен называют конвективно-кондуктивным, в газах совместно протекает конвективно-радиационный теплообмен. Теплообмен излучением без конвекции в технических установках может протекать при глубоком вакууме (0,14 Н/м²).