Основные закономерности явлений переноса теплоты, механизм и методология исследования процессов теплообмена, рекомендации для практических расчетов составляют содержание этой книги. При ее написании преследовалась цель рассказать о сложных явлениях теплопередачи в возможно более простой и ясной форме при сохранении необходимой научной строгости.
Материал в книге расположен в порядке нарастания сложности обсуждаемых процессов с целью облегчения его усвоения читателем. Поэтому, например, комплексные процессы теплопередачи излагаются после описания элементарных видов теплообмена, а вопросы гидромеханики по мере надобности приводятся совместно с изложением отдельных задач конвективного теплообмена. В книге рассмотрены основные положения теории подобия и их приложение к изучению процессов переноса теплоты. В конце каждого раздела приводятся числовые примеры решения наиболее характерных задач.
В целом в настоящем издании сохранены стиль, структура и характер, присущие известному учебнику академика М. А. Михеева (1902—1970 гг.) «Основы теплопередачи», последнее издание которого было выпущено в 1956 г. В учебнике М. А. Михеева был обобщен опыт его многолетнего преподавания курса теплопередачи в вузах, рассмотрены результаты наиболее значительных экспериментальных и теоретических работ в области теории теплообмена и теплового моделирования.
Издание книги в настоящем виде посвящается его памяти.
И. Михеева
ВВЕДЕНИЕ
Теплопередача является частью общего учения о теплоте, основы которого были заложены в середине XVIII в. М. В. Ломоносовым, создавшим механическую теорию теплоты и основы закона сохранения и превращения материи и энергии. В дальнейшем развитии учения о теплоте разрабатывались его общие положения. В XIX в. основное внимание уделялось вопросам превращения теплоты в работу. С развитием техники и ростом мощности отдельных агрегатов роль процессов переноса теплоты в различных тепловых устройствах и машинах возросла. Во второй половине XIX в. ученые и инженеры стали .уделять процессам теплообмена значительно больше внимания. В литературе имеется много работ тех времен по вопросам распространения и переноса теплоты, некоторые из них сохранили значимость до наших дней. Именно в эти годы, например, была опубликована работа О. Рейнольдса, в ко-" торой устанавливается единство процессов переноса теплоты и количества движения, его «гидродинамическая теория теплообмена» (1874 г.).
Учение о теплоте окончательно оформилось в самостоятельную научную дисциплину лишь в начале XX в. В настоящее время теплопередача вместе с технической термодинамикой составляют теоретические основы теплотехники.
В развитие теплопередачи наряду с зарубежными исследователями большой вклад внесли русские ученые. Их труды до сих пор сохранили свое значение. Изучение вопросов теплообмена в нашей стране с 20-х годов возглавил акад. М. В. Кирпичев, придавший ему новое инженерно-физическое направление. Были разработаны оригинальные пути исследования сущности рабочих процессов и работы тепловых устройств в целом, что позволяло научно обоснованно решать многие инженерные задачи. Одновременно с этим была разработана общая методология исследований, обработки и обобщения опытных данных. Все имевшиеся данные по теплообмену были пересмотрены, уточнены и приведены в определенную систему. Большое развитие в нашей стране получила теория подобия, являющаяся по существу теорией эксперимента. На ее основе была разработана теория теплового моделирования технических устройств.
Исследования показывают, что теплопередача является сложным процессом. При изучении этот процесс расчленяют на простые явления. Различают три элементарных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
Теплопроводностью называется перенос теплоты (или внутренней энергии) при непосредственном соприкосновении тел (или частей одного тела) с различной температурой.
Явление конвекции наблюдается в движущихся жидкостях или газах. Перенос теплоты при этом происходит просто за счет перемещения вещества в пространстве.
Тепловым излучением называется явление переноса теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением — тепловой энергии в лучистую и обратно.
В действительности элементарные виды теплообмена не обособлены и в чистом виде встречаются редко. В большинстве случаев один вид теплообмена сопровождается другим. Например, обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью (или газом) происходит путем теплопроводности и конвекции одновременно и называется конвективным теплообменом или теплоотдачей. В паровых котлах в процессе переноса теплоты от топочных газов к внешней поверхности кипятильных труб одновременно участвуют все три вида теплообмена — теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. От внешней поверхности кипятильных труб к внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи теплота переносится путем теплопроводности. Наконец, от внутренней поверхности труб к воде теплота переносится путем теплопроводности и конвекции. Следовательно, на отдельных этапах прохождения теплоты элементарные виды теплообмена могут находиться в самом различном сочетании. В практических расчетах такие сложные процессы иногда целесообразно рассматривать как одно целое.
Так, например, передачу теплоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называют процессом теплопередачи. В книге рассмотрены основные количественные и качественные закономерности протекания этих как элементарных, так и более сложных процессов.
Все замечания по содержанию книги просьба направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, изд-во «Энергия».
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................... 3
Введение ............................ 4
Основные обозначения...................... 6
Числа подобия.......................... 7
Глава первая. Теплопроводность.............. 8
1-1. Основной закон теплопроводности............ 8
1-2. Теплопроводность плоской стенки......... '. . . 13
1-3. Теплопроводность цилиндрической стенки........ 19
1-4. Теплопроводность шаровой стенки и тел неправильной формы 24
1-5. Теплопроводность тел с внутренними источниками теплоты . 27
Глава вторая. Конвективный теплообмен.......... 34
2-1. Общие понятия и определения.............. 34
2-2. Дифференциальные уравнения теплообмена........ 38
2-3. Основы теории подобия................. 46
2-4. Подобие процессов конвективного теплообмена...... 53
2-5. Обобщение опытных данных на основе теории подобия ... 63
Глава третья. Теплообмен в жидкостях и газах........ 69
3-1. Теплоотдача при обтекании плоской поверхности (пластины) 69
3-2. Теплоотдача при течении жидкости в трубах........ 78
3-3. Теплоотдача при свободной конвекции.......... 94
3-4. Теплоотдача при поперечном обтекании труб........ 101
Глава четвертая. Теплообмен при кипении и конденсации . . ПО
4-1. Теплообмен при кипении................ ПО
4-2. Теплообмен при конденсации пара............ 138
Глава пятая. Тепловое излучение .............. 160
5-1. Законы теплового излучения............... 160
5-2. Лучистый теплообмен между телами........... 173
5-3. Тепловое излучение газов................ 182.
Глава шестая. Процессы теплопередачи........... 193
6-1. Сложный теплообмен и теплопередача........... 193
6-2. Теплопередача через стенки............... 196
6-3. Теплопередача через сложные стенки........... 206
6-4. Интенсификация процессов теплопередачи......... 212
6-5. Тепловая изоляция ................... 216
Глава седьмая. Нестационарная теплопроводность..... 220
7-1. Описание процесса................... 220
7-2. Аналитическое решение.................. 224
7-3. Приближенные методы решения............. 234
7-4. Регулярный тепловой режим............... 242
Глава восьмая. Теплообменные аппараты.......... 245
8-1. Общие положения.................... 245
8-2. Рекуперативные аппараты............... 246
8-3. Теплообменные регенеративные и смесительные аппараты . . 261
8-4. Гидромеханический расчет теплообменных аппаратов .... 266
Глава девятая. Моделирование тепловых устройств...... 273
9-1. Постановка задачи................... 273
9-2. Условия моделирования................ 275
9-3. Примеры моделирования................ 277
Глава десятая. Отдельные задачи теплообмена........ 282
10-1. Гидродинамическая теория теплообмена......... 282
10-2. Теплообмен при высоких скоростях........... 286
10-3. Теплообмен поверхностей с искусственной шероховатостью 292
10-4. Теплоотдача расплавленных металлов.......... 296
10-5. Передача теплоты через стержень............ 300
10-6. Передача теплоты через ребра.............. 306
Приложения ........................... 314
Список литературы........,.....г......... 336
Цена: 150руб.
