19

Министерство образования РФ

Пермский государственный технический университет

Кафедра «Конструирование и технология электрической изоляции»

Методические указания

по курсу «ТЕПЛОПРЕДАЧА»

для студентов

заочной формы обучения

направление 551300

Пермь, 2003 г.

УДК 621.315

Методические указания

по курсу «ТЕПЛОПРЕДАЧА»

Составитель: доцент, к.т.н. Щербинин А.Г.

Приводятся методические указания по самостоятельному изучению дисциплины «Теплопредача» и выполнению лабораторных работ. Даны варианты заданий на лабораторные работы.

Предназначены для студентов заочной формы обучения.

Рецензент:

Издание стереотипное. Утверждено на заседании кафедры.

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Студенты, обучающиеся по направлению 551300 «Электротехника, электромеханика и электротехнология» изучают дисциплину «Теплопередачу».

Распределение объемов занятий и видов учебной работы по семестрам дано в табл. 1.

Таблица 1

Семестр	Занятия, ч				Контроль
	Лекции	Лабораторные работы	Практические	Самостоятельная работа
	18	16	––	90	Экзамен

Основной формой изучения дисциплины является самостоятельная работа студента над рекомендованной литературой. Целесообразно прорабатывать материал, приведенным ниже списком вопросам и краткими пояснениями к ним.

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981, – 416с.

2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1977 – 320с.

Литература дополнительная

3. Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1991 – 480с.

4. Юдаев Б.Н. Теплопередача. – М.: Высшая школа, 1981 – 319с.

5. Шорин С.Н. Теплопередача. – М.: Высшая школа, 1964 – 490с.

6. Под. ред. Солодова А.П. Практикум по теплопередаче. – М.: Энергоатомиздат, 1987 – 296с.

7. Самарский А.А. Введение в численные методы. – М.: Наука, 1987, – 287с.

8. Пасконов В.М. Численное моделирование процессов тепло- и массопереноса. – М.: Наука, 1984, – 288с.

Дополнительные информационные источники

9. Щербинин А.Г. Обучающая программа по курсу «Теплопердача». Электронное учебное пособие. Компьютерный класс кафедры КТЭИ.

10. Щербинин А.Г. Конспект лекций по курсу «Теплопердача». Электронное учебное пособие. Компьютерный класс кафедры КТЭИ.

КРАТКИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО

САМОСТОЯТЕЛЬНОМУ ИЗУЧЕНИЮ КУРСА

Методические указания содержат формулировку вопроса, сжатый комментарий, номер соответствующего раздела в рекомендованной литературе и вопросы для самопроверки.

1. ВВЕДЕНИЕ

Уясните цели и задачи курса, его значение в развитии современной изоляционной и кабельной техники. Познакомьтесь со способами переноса теплоты. [1, с. 5-6], [2, с. 4-5].

Вопросы для самопроверки

1. Цели и задачи дисциплины «Теплопередачи».

2. Способы переноса теплоты.

2. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Ознакомьтесь с основными понятиями процесса теплопроводности: температурное поле; температурный градиент; тепловой поток; закон Фурье; коэффициент теплопроводности. Сравните между собой теплофизические характеристики материалов, используемых в кабельной технике.

Изучите вывод дифференциального уравнения теплопроводности. Ознакомьтесь с условия однозначности для процессов теплопроводности. [1, с. 7-23], [2, с. 8-12].

Рассмотрите решения стационарных задач теплопроводности: передача теплоты через плоскую однородную стенку; передача теплоты через многослойную плоскую стенку; передача теплоты через однородную цилиндрическую стенку; теплопроводность многослойного цилиндра. [1, с. 24-39], [2, с. 12-22].

Ознакомьтесь с понятие тепловой изоляции и рассмотрите подход по определению критического диаметра тепловой изоляции. [1, с. 40-41], [1, с. 200-204].

Рассмотрите особенности расчета задач теплопроводности и теплопередачи полуограниченного массива с одной трубой и рядом труб в полуограниченном массиве. [4, с. 40-41]

На примере задачи теплопроводности ознакомьтесь с задачей теплопроводности однородного цилиндрического стержня внутренним источником тепла. [1, с. 65-68], [2, с. 26-29].

Рассмотрите аналитические решения нестационарных задач теплопроводности: охлаждение (нагревания) неограниченной пластины; охлаждение (нагревания) бесконечного цилиндра. [1, с. 74-92], [2, с. 204-215].

Уясните подход к решению нестационарных задач теплопроводности, основанный на регулярном режиме охлаждения (нагревания) тел. [1, с. 101-106], [2, с. 224-227].

Рассмотрите решения стационарных и нестационарных задач теплопроводности с помощью численного метода конечных разностей. [1, с. 107-116], [2, с. 216-223].

Вопросы для самопроверки

1. Основные понятия и определения процесса теплопроводности.

2. Какой закон лежит в основе вывода дифференциального уравнения теплопроводности?

3. Что включают в себя условия однозначности?

4. Какое покрытие называется тепловой изоляцией?

5. Как по числу Био определить режим охлаждения (нагревания) тел?

6. Какой этап охлаждения можно назвать регулярным режимом охлаждения?

7. В чем состоит суть метода конечных разностей?

3. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Ознакомьтесь с основными понятиями процесса конвективного теплообмена. Рассмотрите физические свойства жидкостей и газов. [1, с. 125-129], [2, с. 32-35].

Рассмотрите вывод дифференциальных уравнений конвективного теплообмена: уравнения энергии; уравнения движения; уравнения сплошности. Ознакомьтесь с условиями однозначности при конвективном теплообмене. [1, с. 130-137], [2, с. 36-42].

Уясните понятия: гидродинамический и тепловой пограничный слой; условие прилипания; уравнение теплоотдачи; гидродинамический пограничный слой; тепловой пограничный слой. [1, с. 138-142]

Рассмотрите подход к решению задач конвективного теплообмена, основанный на подобии процессов. Уясните принцип приведения задачи к безразмерному виду на частном примере задачи конвективного теплообмена. Рассмотрите числа подобия, уравнения подобия, условие подобия физических процессов; моделирование процессов конвективного теплообмена, получение эмпирических формул. На примере задачи теплоотдачи при вынужденном течении жидкости в трубах ознакомьтесь с применением метода подобия при решении подобного типа задач. [1, с. 149-167], [2, с. 50-63].

Вопросы для самопроверки

1. Основные понятия и определения процесса конвективного теплообмена.

2. Что является основной задачей конвективного теплообмена?

3. Какой закон лежит в основе вывода дифференциального уравнения движения?

4. В чем состоит особенность задания условий однозначности для задач конвективного теплообмена?

5. Что является условием подобия физических процессов?

6. В чем состоит физический смысл, рассмотренных чисел подобия?

7. Какое число подобия называется безразмерным коэффициентом телоотдачи?

8. Какие числа подобия называются критериями подобия?

4. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Ознакомьтесь с основными положения теплового излучения. Рассмотрите основные законы теплового излучения: закон Планка; закон Стефана-Больцмана; закон Кирхгофа; закон Ламберта. [1, с. 361-377], [2, с. 149-160].

Изучите теплообмен излучением в системе тел с плоскопараллельными и цилиндрическими поверхностями. [1, с. 378-384], [2, с. 161-169].

Вопросы для самопроверки

1. Основные понятия и определения процесса теплового излучения.

2. Какие тела называются абсолютно черными, белыми и прозрачными?

3. Между какими величинами устанавливают связь основные законы теплового излучения?

ТРЕБОВАНИЯ И УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Номер варианта задания определяют по предпоследней и последней цифрам номера студенческого билета. Последняя цифра задания соответствует последней цифре номера студенческого билета. Первая цифра задания определяется по предпоследней цифре студенческого билета: если предпоследняя цифра студенческого билета четная, то это соответствует нулю задания; нечетная – единице. Например, если предпоследняя и последняя цифры номера студенческого билета равны 59, то номер задания равен 19, если 24, то – 04.

Текст каждого задания вместе с номером варианта и исходными данными приводят в контрольной работе на отдельной странице.

1. Нестационарная теплопроводность Варианты заданий

№	Объект	Материал	, мм	, Вт/(м2С)	, С	, С	, с
00	Стенка	ПВХ	22	22	100	10	3800
01	Стенка	Fe	15	12000	100	10	15
02	Стенка	ПЭ	25	33	100	10	3000
03	Стенка	Cu	50	22000	100	10	17
04	Стенка	Резина	21	23	100	10	3500
05	Стенка	Al	40	16000	100	10	16
06	Цилиндр	ПВХ	23	21	95	15	3600
07	Цилиндр	Fe	16	11000	95	15	14
08	Цилиндр	ПЭ	26	32	95	15	2800
09	Цилиндр	Cu	52	21000	95	15	16
10	Цилиндр	Резина	21	22	95	15	3200
11	Цилиндр	Al	42	15000	95	15	15
12	Шар	ПВХ	24	20	90	20	3200
13	Шар	Fe	17	10000	90	20	13
14	Шар	ПЭ	27	31	90	20	2600
15	Шар	Cu	54	20000	90	20	15
16	Шар	Резина	22	21	90	20	3000
17	Шар	Al	44	14000	90	20	14
18	Стенка	ПВХ	25	21	85	25	3600
19	Стенка	Fe	18	11000	85	25	15

* Для плоской стенки задана ее толщина, равная ; для цилиндра и шара задан радиус.

Задание

1. Решить задачу аналитически, по формулам (1.3), (1.6) или (1.9) в соответствии с заданием. Корни характеристического уравнения ((1.4), (1.7) или (1.10)) определяются по табличным данным из Приложения.

2. Определить время, начиная с которого процесс охлаждения переходит в стадию регулярного режима. Вычислить темп охлаждения для регулярного режима тремя способами.

Содержание отчета

1. Теоретическое описание процесса.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Привести расчетные формулы по каждому пункту задания.

2. Результаты расчетов.

1. Построение зависимостей температуры по сечению в моменты времени: =0; =_к/10_;=_к/2; =_к.

2. Построить кривые охлаждения для точек на оси и поверхности и. Определить момент времени, начиная с которого процесс охлаждения можно рассматривать как регулярный режим охлаждения (по числу Фурье). Отметить данный момент времени на графике с кривыми охлаждения.

3. Определить темп охлаждения тремя способами.

4. Привести расчетные программы.

3. Выводы по работе.

2. Конвективный теплообмен и тепловое излучение Варианты заданий

№	, мм	, м	, С	, С	, град	, град	Воздух				Вода
							, м/с	, м/с	, С		, м/с	, м/с
00	20	5	20	70	60	50	5	40	200	0,2	0,5	4
01	20	5	20	75	70	60	10	40	300	0,2	1,0	4
02	20	5	20	80	80	50	15	40	400	0,2	1,5	4
03	20	5	30	85	60	60	5	40	200	0,3	0,5	4
04	20	5	30	90	70	50	10	40	300	0,3	1,0	4
05	20	5	30	95	80	60	15	40	400	0,3	1,5	4
06	30	5	20	70	60	50	5	40	200	0,4	0,5	4
07	30	5	20	75	70	60	10	40	300	0,4	1,0	4
08	30	5	20	80	80	50	15	40	400	0,4	1,5	4
09	30	5	30	85	60	60	5	40	200	0,5	0,5	4
10	30	5	30	90	70	50	10	40	300	0,5	1,0	4
11	30	5	30	95	80	60	15	40	400	0,5	1,5	4
12	40	5	20	70	60	50	5	40	200	0,2	0,5	4
13	40	5	20	75	70	60	10	40	300	0,2	1,0	4
14	40	5	20	80	80	50	15	40	400	0,2	1,5	4
15	40	5	30	85	60	60	5	40	200	0,3	0,5	4
16	40	5	30	90	70	50	10	40	300	0,3	1,0	4
17	40	5	30	95	80	60	15	40	400	0,3	1,5	4
18	50	5	20	70	60	50	5	40	200	0,4	0,5	4
19	50	5	20	75	70	60	10	40	300	0,4	1,0	4