Zustandsgleichungen in den Grundlagen der Wärmetechnik. Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik - rus. Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik

8. März 2015 , 19:44 Uhr

Bisher habe ich das Thema Wärmetechnik in Bezug auf selbstständiges Bauen nur am Rande im Kontext anderer Themen angesprochen. Darüber sind haufenweise Artikel und Bücher geschrieben worden, auch im Internet, mit einem Meer von Formeln und Diagrammen, was den Leser offenbar abschreckt. Infolgedessen haben einzelne Entwickler in diesem Bereich die gierigsten Wahnvorstellungen.
Fangen wir also mit der Physik von vorne an: Jeder Festkörper zeichnet sich durch zwei für uns interessante thermische Eigenschaften aus: Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit. Wärmeleitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Wärmeenergie von einer heißeren Zone zu einer kälteren zu übertragen. In Bezug auf die Umfassungskonstruktionen des Hauses ist zur Wärmeerhaltung eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit wünschenswert. Eine separate Frage zur Dicke. Eine Erhöhung der Dicke führt zu einer proportionalen Erhöhung der Kosten der Struktur, jedoch nicht zu einer proportionalen Verbesserung der Wärmedämmung. Für jedes Material und jede Klimazone gibt es eine bestimmte optimale Dicke.

Wärmekapazität - die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu absorbieren (akkumulieren) und abzugeben, wenn sich die Temperatur ändert. Hier ist alles nicht so einfach, eine große oder kleine Wärmekapazität kann je nach spezifischen Bedingungen sowohl ein Plus als auch ein Minus sein.

Wir fassen zusammen: Ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit ist ein Wärmeisolator, ein Material mit hoher Wärmekapazität ein Wärmespeicher.

Nehmen wir ein Beispiel: Vergleichen wir ein Holz- und ein Backsteinhaus aus wärmetechnischer Sicht. Holz hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit (d. h. es ist ein Wärmeisolator) und eine geringe Wärmekapazität. Ein Ziegel ist auch ein Wärmeisolator, hat aber eine große Wärmekapazität, dh er wirkt auch als Wärmespeicher. Ein Holzhaus hält die Wärme gut, trocknet aber schnell aus, ein Backsteinhaus hält die Wärme gut und lange. Wenn das Haus ständig genutzt wird, ist das Backsteinhaus komfortabler - es hält die Wärme länger und gleicht Temperaturschwankungen beim periodischen Aufheizen des Ofens aus. Wenn das Haus als Datscha genutzt wird - wir sind am Freitagabend in einem ungeheizten Haus angekommen und haben es beheizt, dann spielt hier die große Wärmekapazität der Ziegelwände ein Minus. Ein Holzhaus hat in diesem Fall einen Vorteil in der Heizgeschwindigkeit.

Unabhängig davon lohnt es sich, mehrschichtige Wandstrukturen in Betracht zu ziehen. Beispiel: Ein Betongebäude soll mit Styropor- oder Mineralwollplatten gedämmt werden. Beton selbst ist ein guter Wärmespeicher, aber ein nutzloser Wärmeisolator. Wenn das wärmedämmende Material im Freien platziert wird, übernimmt der Beton die Rolle eines Wärmespeichers, was für ein dauerhaftes Zuhause von Vorteil ist. Wenn Sie das wärmeisolierende Material hineinlegen, spielen die Betonwände keine Rolle in der Thermodynamik des Raums - es heizt sich schnell auf und kühlt schnell ab.

Ein weiteres Beispiel: Um ein Holzhaus länger warm zu halten, kann es von innen verputzt werden.

Bei mehrschichtigen Strukturen gibt es ein wichtiges Problem der Dampfsperre und des damit verbundenen „Taupunkts“. Grob gesagt kann Feuchtigkeit im Inneren von Gebäuden kondensieren. Ohne ins Ungewisse einzutauchen, geht es hier darum, dass die Luft in beheizten Wohnräumen immer feuchter ist als draußen. Daher sollte die Dampfsperre nach dem Prinzip näher innen liegen - dichter, außen - durchlässiger.

Kurz gesagt, genaue Definitionen, Maßeinheiten, Formeln, Werte für die Parameter bestimmter Materialien usw. finden Sie im Internet.

Buchmirov V.V. Vorträge zu TMODecember, 2008_part 1_v8

BUNDESAGENTUR FÜR BILDUNG

STAATLICHE BILDUNGSEINRICHTUNG DER HÖHEREN

BERUFLICHE AUSBILDUNG

"STAATLICHE ENERGIE IWANOWSK

UNIVERSITÄT

benannt nach V.I. Lenin"

Lehrstuhl für Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik

THEORETISCHE BASIS

Wärmetechniker

WÄRME- UND STOFFTRANSFER

Vorlesungen

Zusammengestellt von: Professor des Instituts für TOT

VV Buchmirov

Iwanowo 2008

EINLEITUNG

Wärmetechnik- Wissenschaft (allgemeine technische Disziplin) über Verfahren und Wege der Gewinnung, Umwandlung, Übertragung und Nutzung von Wärme sowie über technische Geräte, die diese Verfahren und Verfahren umsetzen.

Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik- ein Abschnitt der Wärmetechnik, der seine theoretischen Grundlagen darstellt.

Die Disziplin „Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik (THT)“ untersucht in der Natur und in technischen Geräten ablaufende thermische Prozesse durch deren mathematische Beschreibung und experimentelle Erforschung.

In der Technik gibt es zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten der Wärmenutzung: Energie und technologisch.

Bei Energie Wärme wird zur Herstellung verwendet mechanische Arbeit, die entweder direkt zum Antrieb von Mechanismen verwendet oder in umgewandelt wird elektrische Arbeit(elektrische Energie) im Generator.

Bei technologisch oder Direkte Wärme wird verwendet, um Bedingungen für den Ablauf technologischer Prozesse in technischen Geräten verschiedener Branchen zu schaffen, um die physikalischen Eigenschaften von Körpern durch Erwärmung oder Abkühlung zu verändern, im Alltag usw.

Die Prozesse der Umwandlung von Wärme in mechanische oder elektrische Arbeitsstudien Technische Thermodynamik(TTD).

Die Prozesse der direkten Wärmenutzung werden von der Wissenschaft untersucht Wärmeaustausch oder Wärmeübertragung. Da Wärmeübertragungsprozesse gleichzeitig mit Stoffübertragungen auftreten können und die Gesetze der Wärme- und Stoffübertragung ähnlich sind, wird ihr Studium in einer Disziplin kombiniert. Wärme- und Stofftransport (TMO).

Somit besteht die Disziplin „Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik“ aus zwei sich ergänzenden Teilen: TTD und TMT.

Beim Studium einer technischen Disziplin werden hauptsächlich zwei Forschungsmethoden verwendet: phänomenologisch und statistisch.

Der phänomenologischen Methode folgend wird die Umgebung, in der physikalische Prozesse ablaufen, als kontinuierliche Substanz dargestellt, ohne ihre innere Struktur zu berücksichtigen. Um alle Prozesse zu beschreiben, verwenden Sie Makrophysik Größen, die in der Regel gemessen (Temperatur, Druck, Volumen) oder berechnet (innere Energie, Enthalpie, Entropie) werden können.

Die statistische Theorie betrachtet die innere Struktur der Materie und verwendet die Konzepte mikrophysikalisch Natur (Molekülmasse, Anzahl der Moleküle usw.). Diese Theorie verwendet Methoden der mathematischen Statistik und Methoden der Wahrscheinlichkeitstheorie.

In der Technischen Thermodynamik kommen sowohl statistische als auch phänomenologische Forschungsmethoden zum Einsatz. Bei der Untersuchung der Prozesse der Wärme- und Stoffübertragung wird hauptsächlich die phänomenologische Forschungsmethode verwendet.

Wärme- und Stofftransport

Wärme- und Stoffübertragung (HMT)- die Wissenschaft von spontan irreversibel Verteilungsprozesse von Wärme und Masse im Raum in einem variablen Temperatur- und Konzentrationsfeld.

Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zielt der spontane Prozess der Wärme- und Stoffübertragung darauf ab, die Temperatur und Konzentration einer bestimmten Komponente des Gemisches zu verringern.

Anders als die Thermodynamik betrachtet die TMT die Entwicklung von Prozessen in Raum und Zeit. Als Ergebnis der Berechnung der Wärme- und Stofftransportvorgänge werden die Verteilungen von Temperaturen, Konzentrationen von Mischungskomponenten sowie Wärme- und Stoffströmen als Funktionen von Koordinaten und Zeit gefunden.

In unserem kurzen Kurs werden wir nur die Prozesse der Wärmeübertragung in einem bestimmten Körper oder System von Körpern betrachten, also ist unsere Aufgabe, das Rechnen zu lernen Temperaturfelder und Wärmeströme und ihre Entwicklung in Raum und Zeit.

ABSCHNITT 1. Grundbegriffe der Wärmeübertragung

§ 1.1. Temperaturfeld. Isotherme Oberfläche.

Temperaturfeld ist ein Satz von Temperaturwerten an allen Punkten eines bestimmten Rechenbereichs und in der Zeit.

Das Temperaturfeld wird in Grad Celsius und Kelvin gemessen und auch wie in TTD bezeichnet: , wobei x i - Koordinaten des Punktes im Raum, an dem die Temperatur gefunden wird, in Metern [m]; τ ist die Zeit des Wärmeaustauschvorgangs in Sekunden [s]. Dass. das Temperaturfeld wird durch die Anzahl der Koordinaten und sein zeitliches Verhalten charakterisiert.

Die folgenden Koordinatensysteme werden in thermischen Berechnungen verwendet:

х i = х 1 , х 2 , х 3 – beliebiges orthogonales Koordinatensystem;

х i = x, y, z – kartesisches Koordinatensystem;

х i = r, φ, z – zylindrisches Koordinatensystem;

х i = r, φ, ψ – sphärisches Koordinatensystem.

Je nach Anzahl der Koordinaten gibt es dreidimensional, zweidimensional, eindimensional und nulldimensional (homogen) Temperaturfelder.

Temperaturfeld, das Änderungenrechtzeitig, genannt nicht stationär Temperaturfeld. Umgekehrt ist das Temperaturfeld, das ändert sich nichtrechtzeitig, genannt stationär Temperaturfeld.

Beispiele für die Aufzeichnung von Temperaturfeldern:

T(x,y,z,τ) – dreidimensionales instationäres Temperaturfeld;

T(τ) ist das nulldimensionale nichtstationäre Temperaturfeld;

T(x) ist ein stationäres eindimensionales Temperaturfeld;

T = const - nulldimensionales stationäres Temperaturfeld - ein Sonderfall des Temperaturfeldes, das das thermodynamische Gleichgewicht des Systems charakterisiert.

Isotherme Oberfläche ist eine Fläche gleicher Temperatur.

Eigenschaften isothermer Flächen:

a) isotherme Flächen schneiden sich nicht;

b) bei instationären Prozessen bewegen sich isotherme Flächen im Raum.

In unserem Kurs betrachten wir Körper der sogenannten einfachen oder klassischen Form. Es gibt drei solcher Körper:

Unendliche oder unbegrenzte Platte - eine Platte, deren Dicke (um ein Vielfaches) viel geringer ist als die Länge und Breite;

Ein unendlicher Zylinder ist ein Zylinder, dessen Durchmesser um ein Vielfaches kleiner ist als die Länge des Zylinders;

Ball oder Kugel.

Beispiele für isotherme Flächen in Körpern einfacher Form:

) Isotherme Flächen in einer unendlichen Platte unter gleichen Wärmeübertragungsbedingungen auf beiden Flächen sind Ebenen parallel zu den Mantellinien dieser Platte (siehe Abb. 1);

b) isotherme Oberflächen in einem unendlichen Zylinder unter gleichen Wärmeübertragungsbedingungen über seine gesamte Oberfläche - koaxiale (koaxiale) zylindrische Oberflächen oder mit anderen Worten verschachtelte Zylinder mit kleinerem Durchmesser (siehe Abb. 2);

Reis. 1.1. Isotherme Oberflächen

in einer endlosen Platte

Reis. 1.2. Isotherme Flächen in einem unendlichen Zylinder

c) in einer Kugel mit gleichmäßiger Erwärmung oder Abkühlung sind isotherme Flächen ineinander verschachtelte Kugeln.

§ 1. 2. Temperaturgradient

Temperaturgefälle(bezeichnet als grad T oder
) ist ein Vektor, der entlang der Normalen zur isothermen Oberfläche in Richtung steigender Temperatur gerichtet ist und numerisch gleich der Temperaturänderung pro Längeneinheit ist:

oder
,

wobei n die Normale ist; - Einheitsvektor; – Hamilton-Operator ("nabla") - ein symbolischer Vektor, der das Gradientensymbol ersetzt.

Im kartesischen Koordinatensystem:

,

wo
sind Einheitsvektoren oder Orte im kartesischen Koordinatensystem.

§ 1.3. Wärmemenge. Wärmefluss.

Spezifische Wärmeströme

Wärmemenge- die Menge an Wärmeenergie, die ein Körper (fest, flüssig oder gasförmig) aufnimmt oder abgibt oder diesen Körper für einige Zeit durchdringt τ als Folge der Wärmeübertragung.

Geben Sie die Wärmemenge an und gemessen in Joule [J] oder Kalorien [cal]:

1 cal = 4,187 J, 1 J = 0,24 cal.

Gleichzeitig werden zur Analyse von Prozessen häufig Maßeinheiten verwendet, die ein Vielfaches von Joule und Kalorie sind:

1 kJ = 10 3 J. 1 MJ = 10 6 J; 1 GJ = 10 9 J; 1 TJ = = 10 12 J.

Wärmefluss(bezeichnet ) – die Wärmemenge, die durch eine gegebene Oberfläche senkrecht zur Richtung der Wärmeausbreitung strömt pro Zeiteinheit:

.

Im stationären Modus der Wärmeübertragung ändert sich der Wärmestrom nicht mit der Zeit und wird nach folgender Formel berechnet:

, W.

Im alten Einheitensystem wird der Wärmestrom gemessen
:
Di

In Berechnungen werden drei Arten von spezifischen Wärmeströmen verwendet:

a) Oberflächenwärmestromdichte(bezeichnet: q, W / m 2) - Wärmestrom, bezogen auf die Körperoberfläche;

b)l Raureif Wärmestromdichte(bedeutet: , W/m) ist der Wärmestrom bezogen auf die Länge des ausgedehnten Körpers;

c) über Massenwärmestromdichte(bezeichnet: q v, W / m 3) - Wärmefluss bezogen auf das Volumen des Körpers.

Oberflächenwärmestromdichte- die Wärmemenge, die durch eine bestimmte und senkrecht zur Richtung der Wärmeausbreitung geht Single Website pro Zeiteinheit.

, W / m 2,

wobei ein Einheitsvektor ist; τ – Zeit, s; F - Fläche, m 2.

Im stationären Modus der Wärmeübertragung und unter gleichen Bedingungen der Wärmeübertragung auf der gesamten Körperoberfläche:

Lineare Wärmestromdichte - Wärmefluss durch die Seitenfläche Single die Länge eines verlängerten Körpers, willkürlich, aber konstant entlang der Länge des Querschnitts. Im stationären Modus der Wärmeübertragung und unter gleichen Bedingungen der Wärmeübertragung auf der gesamten Körperoberfläche:

, woraus folgt

wobei τ die Zeit ist, s; ist die Länge des verlängerten Objekts, m.

Die Oberflächenwärmestromdichte und die lineare Wärmestromdichte sind durch die folgende Beziehung miteinander verbunden:

oder
,

G de P ist der Umfang eines ausgedehnten Körpers mit beliebigem, aber konstantem Querschnitt.

Beispielsweise ist bei einem Rohr mit einem Durchmesser d der Umfang gleich dem Umfang (
) und der Beziehungsformel q und nimmt die Form an

.

Bulk-Wärmestromdichte- die Wärmemenge, die im Inneren abgegeben oder aufgenommen wird Einheitsvolumen Karosserie inZeiteinheit. Im stationären Modus der Wärmeübertragung und unter der Bedingung einer gleichmäßigen Verteilung der internen Wärmequellen (Senken) im Körpervolumen:

woraus folgt
und
.

Volumetrische Wärmestromdichte q v in den folgenden Berechnungen der Wärmefreisetzung oder Wärmeaufnahme verwendet:

In einem Kernreaktor

Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter mit hohem Widerstand fließt;

Innere Reibung während des Flüssigkeitsflusses;

bei chemischen Reaktionen.

Wert q v kann entweder positiv (Wärme wird abgegeben) oder negativ (Wärme wird absorbiert) sein.

§ 1.4. Elementare Methoden der Wärmeübertragung.

(Arten von Wärmeübertragungsprozessen)

Es gibt drei elementare Methoden der Wärmeübertragung:

Wärmeleitfähigkeit (Leitung);

Konvektion;

Wärmestrahlung (Strahlungswärmeübertragung).

Wärmeleitfähigkeit (Leitung) - eine Methode der Wärmeübertragung aufgrund der Wechselwirkung von Körpermikropartikeln (Atome, Moleküle, Ionen in Elektrolyten und Elektronen in Metallen) in einem variablen Temperaturfeld.

Wärmeleitfähigkeit findet in festen, flüssigen und gasförmigen Körpern statt. In Festkörpern ist Wärmeleitung die einzige Möglichkeit, Wärme zu übertragen. Im Vakuum findet keine Wärmeleitung statt.

Konvektion- eine Methode der Wärmeübertragung aufgrund der Bewegung von Makrovolumina des Mediums von einem Bereich mit einer Temperatur zu einem Bereich mit einer anderen Temperatur. In diesem Fall bewegt sich das flüssige Medium (Fluid) mit höherer Temperatur in den Bereich niedrigerer Temperaturen und das kalte Fluid in den Bereich mit hoher Temperatur. Im Vakuum ist keine Wärmekonvektion möglich.

Wärmestrahlung (Strahlungswärmeübertragung)- eine Methode der Wärmeübertragung aufgrund der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einem bestimmten Frequenzbereich.

Bemerkungen:

Alle Körper über 0 K haben ihre eigene Wärmestrahlung, dh alle Körper strahlen Energie ab;

Zur Wärmeübertragung durch Strahlung ist kein Zwischenkörper erforderlich, d.h. Strahlungsenergie kann auch im Vakuum übertragen werden.

§ 1.5. komplexe Wärmeübertragung. Wärmeableitung und Wärmeübertragung

In der Natur und in technischen Geräten kommen in der Regel alle drei Arten der Wärmeübertragung gleichzeitig vor. Diese Wärmeübertragung wird genannt komplexe Wärmeübertragung.

So findet Wärmekonvektion immer zusammen mit Wärmeleitung statt, da Makrovolumina eines flüssigen Mediums aus Mikrovolumina bestehen und ein räumlich ungleichmäßiges Temperaturfeld besteht. Die Übertragung von Wärme durch Leitung und Konvektion wird genannt konvektive Wärmeübertragung.

Die gemeinsame Übertragung von Wärme durch Strahlung und Leitung wird genannt Strahlungs-Leitungs-Wärmeübertragung.

Die gemeinsame Wärmeübertragung durch Strahlung und Konvektion wird genannt Strahlungs-Konvektions-Wärmeübertragung.

In Natur und Technik trifft man am häufigsten auf folgende zwei Varianten der komplexen Wärmeübertragung:

- Wärmeübertragung- der Prozess des Wärmeaustauschs zwischen einer undurchlässigen festen Wand und der umgebenden Flüssigkeit;

- Wärmeübertragung- Wärmeübertragung von einem Fluid auf ein anderes Fluid durch eine undurchlässige feste Wand.

Wärmeableitung. Temperaturfelddiagramm bei Wärmeübertragung in Abb. gezeigt. 3. Flüssigkeitstemperaturänderungen in einem sehr engen Bereich genannt thermische Grenzschicht.

Reis. 1.3. Schema des Wärmeübertragungsprozesses: T w ist die Wandtemperatur; Tf ist die Temperatur des Fluids; δq ist die Dicke der thermischen Grenzschicht.

Beachten Sie, dass abhängig vom Verhältnis der Wandtemperaturen T w und der Flüssigkeit T f der Wärmestrom Q die Wand unter der Bedingung erwärmen kann
oder abkühlen, wenn
.

Der Wärmeübertragungsprozess kann durch eine Kombination der folgenden elementaren Wärmeübertragungsprozesse durchgeführt werden:

- konvektive Wärmeübertragung(Konvektion + Wärmeleitfähigkeit = konvektive Wärmeübertragung) - findet statt, wenn feste Oberflächen verschiedener Formen von einem flüssigen Medium (strahlend transparente tropfende Flüssigkeit) umspült werden;

- strahlend oder Strahlungswärmeübertragung(Wärmestrahlung) - findet während der Strahlungswärmeübertragung im Vakuum oder zwischen der Wand und dem Abstrahlenden und Absorbierenden statt bewegungslos Gas;

- strahlungskonvektive Wärmeübertragung(Wärmestrahlung + konvektive Wärmeübertragung) - der häufigste Fall einer komplexen Wärmeübertragung in der Berechnungspraxis;

- konvektiver Wärmeübergang bei Phasenumwandlungen des Kühlmittels(Konvektion + Wärmeleitfähigkeit + mögliche Strahlung) - Wärmeübertragung beim Kondensieren und Kochen, wobei die Wärmeabgabe oder -aufnahme des Phasenübergangs erfolgt.

Berechnung Wärmeübertragung ist es, den zwischen der Wand und dem Fluid ausgetauschten Wärmestrom zu bestimmen. Bei technischen Berechnungen der Wärmeübertragung wird das sogenannte Wärmeübertragungsgesetz verwendet - das Newtonsche Gesetz (1701):

,

wobei Q der Wärmestrom W ist; - Wärmedurchgangskoeffizient, W / (m 2 K); T f und T w sind Fluid- und Wandtemperaturen; F ist die Fläche der Wärmeaustauschfläche.

Wärmeübertragung. Im TMT-Kurs studieren sie die Berechnung Wärmeübertragung durch Wände von flacher, zylindrischer, kugeliger und beliebiger Form. In unserem Kurzkurs beschränken wir uns auf die Berechnung des Wärmeübergangs durch ebene und zylindrische Wände. Temperaturfelddiagramm bei Wärmeübertragung durch eine flache Wand ist in Abb. vier.

Reis. 1.4. Schema des Wärmeübertragungsprozesses: T f ,1 und T f ,2 – Temperatur des heißen und kalten Fluids (flüssiges Medium); T w,1 und T w,1 sind die Oberflächentemperaturen der ebenen Wand; δ ist die Dicke der flachen Wand.

So , Wärmeübertragung beinhaltet folgende Prozesse:

a) Wärmeübertragung von der heißen Flüssigkeit (heißes Kühlmittel) zur Wand;

b) Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Wand

in) Wärmeübertragung von der Wand zum kalten flüssigen Medium (kaltes Kühlmittel).

Wärmestrom bei Wärmeübertragung, die von einem heißen Fluid mit der Temperatur T f ,1 auf ein kaltes Fluid mit der Temperatur T f ,2 übertragen wird, berechnet sich nach der Formel (für eine ebene Wand):

,

wo
- Wärmedurchgangskoeffizient durch eine flache Wand, W / (m 2 K); R t - Wärmewiderstand der Wärmeleitfähigkeit einer flachen Wand, (m 2 K) / W ..

Zum Abschluss des ersten Abschnitts des Kurses können wir feststellen, dass es zur Lösung des Hauptproblems der Berechnung der Wärmeübertragung - der Bestimmung von Temperaturfeldern und Wärmeströmen während der Wärmeübertragung und der Wärmeübertragung - erforderlich ist, drei berechnen zu können elementar Art der Übertragung von Wärmeenergie.

ABSCHNITT 2. Wärmeleitfähigkeit

§ 2.1. Grundgesetz der Theorie der Wärmeleitung.

Gesetz (Hypothese) Fourier.

1807 schlug der französische Wissenschaftler Fourier (Fourier) vor, dass an jedem Punkt des Körpers (Substanz) im Prozess der Wärmeleitung eine eindeutige Beziehung zwischen dem Wärmefluss und dem Temperaturgradienten besteht:

, (*)

wobei Q der Wärmestrom W ist; grad(T) – Temperaturfeldgradient, K/m; F - Wärmeaustauschfläche, m 2; , – Koeffizient der Wärmeleitfähigkeit ,
ist eine Größe, die die physikalischen Eigenschaften eines Stoffes charakterisiert. Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient wird experimentell bestimmt und in der Literatur angegeben.

Das Fourier-Gesetz für die Oberflächenwärmestromdichte kann geschrieben werden als

. (**)

physikalische Bedeutung Wärmeleitfähigkeitskoeffizient ist er das λ ) charakterisiert die Fähigkeit eines bestimmten Stoffes, Wärme zu leiten.

Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ wird experimentell unter Verwendung der Ausdrücke (*) und (**) gefunden, indem das sogenannte inverse Problem der Theorie der Wärmeleitfähigkeit gelöst wird.

Das „–“-Zeichen zeigt an, dass die Wärmefluss- und Temperaturgradientenvektoren in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind. Der Temperaturfeldgradient ist entlang der Normalen zur isothermen Fläche in Richtung der Temperaturerhöhung gerichtet, der Wärmefluss ist in Richtung der Temperaturabnahme gerichtet. Die Ausdrücke (*) und (**) stellen ein lineares Gesetz der Wärmeleitung dar, weil in diesem Gesetz ist der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient ein konstanter Wert (λ = const). Eine experimentelle Überprüfung des Fourier-Gesetzes zeigt eine Abweichung von Rechnung und Experiment, die in erster Näherung dadurch berücksichtigt werden kann, dass man die Form des Gesetzes beibehält, aber die Abhängigkeit λ = f(T) annimmt. In diesem Fall erhalten wir das nichtlineare Fourier-Gesetz:

.

Für verschiedene Stoffe und ihren Phasenzustand λ kann mit zunehmender Temperatur sowohl zunehmen als auch abnehmen. Bei porösen und Schüttgütern der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ hängt auch von Porosität (Porengröße) und Feuchtigkeit ab. Mit zunehmender Porosität λ nimmt ab, wenn die Poren mit Gas gefüllt sind, und λ kleine Gase. Mit zunehmender Luftfeuchtigkeit füllen sich die Poren mit Feuchtigkeit und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ steigt. Verunreinigungen verringern die Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit von Gasen ist auch druckabhängig.

Wir geben ungefähre Werte des Koeffizienten an λ verschiedene Substanzen. Weil die λ Funktion der Temperatur, dann werden diese Daten dem Nachschlagewerk bei t = 0 0 С entnommen.

§2.2. Energieform des Fourier-Gesetzes.

Wärmeleitzahl a, [m 2 /s] - die physikalische Eigenschaft des Stoffes, die experimentell bestimmt wird und in den Referenztabellen angegeben ist.

Wärmeleitzahl a charakterisiert Wärmeträgheitseigenschaften von Materie oder mit anderen Worten charakterisiert Änderungsrate der Körpertemperatur im Laufe der Zeit. Temperaturänderungsrate ~ a, ist direkt proportional zum Koeffizienten der Temperaturleitfähigkeit. Dass. die Temperaturleitfähigkeit charakterisiert nur instationäre Prozesse.

Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient hängt mit anderen physikalischen Eigenschaften des Stoffes zusammen, die folgenden Beziehungen:

;
,

wo Mit– spezifische Massenwärmekapazität, J/(kg deg); - spezifische volumetrische Wärmekapazität, J / (m 3 Grad); ρ ist die Dichte, kg/m3; λ ist der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient W/(m Grad);

Für Feststoffe mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten
.

Bei Gasen, deren Wärmekapazität von der Art des Prozesses abhängt, ist natürlich auch die Temperaturleitfähigkeit eine Funktion des Prozesses:

Für isochoren Prozess v= konst:
;

Für isobaren Prozess p= konst:
.

Die Größenordnung der Temperaturleitfähigkeit lässt sich durch folgende Werte charakterisieren:

a≈ 10 -7 m 2 / s - zur Wärmedämmung;

a≈ 10 -6 m 2 / s - für feuerfeste Materialien;

a≈ 10 -5 m 2 / s - für Stahl.

Um das Fourier-Gesetz in Energieform darzustellen, ersetzen wir λ in der klassischen Form schreibt man das Gesetz der Wärmeleitung durch den Ausdruck

oder
.

– für isochore Prozesse,

wo – spezifische volumetrische innere Energie, J/m 3 ;

– für isobare Prozesse,

wo
- spezifische volumetrische Enthalpie, J/m 3 .

Für Festkörper hat die Energieform des Fourierschen Gesetzes die Form:

§2.3. Differentialgleichung der Wärmeleitung.

(Differential-Fourier-Gleichung)

Wenn Sie einen Körper, zum Beispiel eine unendliche Platte mit der Dicke δ und der Anfangstemperatur T 0, in ein heißes Medium mit der Temperatur T f bringen (Abb. 1.1), dann erwärmt sich die Platte, wenn sie Energie aus dem heißen Medium erhält, und seine Temperatur ändert sich im Laufe der Zeit an jedem Punkt.

Reis. 2.1. Plattenerwärmung in einer Umgebung mit Temperatur T f

Temperaturfeld
, d.h. die Verteilung der Temperaturen in Raum und Zeit findet man durch Lösen der Differentialgleichung (DE) der Wärmeleitung, die 1814 vom französischen Wissenschaftler Fourier hergeleitet wurde und daher seinen Namen trägt. Die Ableitung der Wärmeleitfähigkeitsregelung basiert auf dem Energieerhaltungssatz und nutzt das Fourier-Gesetz. Die Fourier-Gleichung modelliert die Prozesse, die in jedem Elementarvolumen des Körpers während der Wärmeleitung ablaufen:

1) Aufnahme von thermischer Energie beim Erhitzen oder Freisetzen beim Abkühlen;

2) der Durchgang von Wärme durch ein elementares Volumen im Transit;

3) Abgabe oder Aufnahme von Wärme aufgrund der Wirkung interner Wärmequellen oder -senken mit einer Kapazität von q v .

In Vektorform hat die Differentialgleichung für die Wärmeleitung die Form:

,

wo
- spezifische volumetrische Wärmekapazität, J / (m 3 K); - Dichte, kg / m 3; Mit– spezifische Massenwärmekapazität, J/(kgK).

Erinnern Sie sich an das für Feststoffe
.

Durch Lösen dieser Gleichung erhalten wir das Temperaturfeld: Т(х i , ). Dass. die Differentialgleichung für die Wärmeleitung aufstellt Beziehung zwischen räumlichen und zeitlichen Veränderungen Temperatur.

Die Formeln für die Operatoren Divergenz (div) und Gradient (grad) hängen von der Wahl des Koordinatensystems ab. Im kartesischen Koordinatensystem hat die Wärmeleitfähigkeit DE beispielsweise die Form:

oder unter der Annahme, dass die physikalischen Eigenschaften eines Stoffes temperaturunabhängig sind (
}

,

wo
- Wärmeleitzahl, m 2 / s.

In unserem kurzen TMT-Kurs lösen wir die Fourier-Differentialgleichung für Körper der einfachsten Form (eine unendliche Platte, ein unendlicher Zylinder und eine Kugel oder Kugel) mit konstanten physikalischen Koeffizienten:

,

wo x 1 ist die erste Koordinate im orthogonalen Koordinatensystem : x 1 = x im kartesischen Koordinatensystem, x 1 = r in zylindrischen und sphärischen Koordinatensystemen; k = 1, 2 oder 3 - Körperformfaktor : k = 1 – unendliche Platte; k = 2 ist ein unendlicher Zylinder; k = 3 ist eine Kugel.

Wenn es keine internen Wärmequellen / -senken im System gibt (q v = 0), werden die Fourier-Differentialgleichungen für Körper der einfachsten Form wie folgt geschrieben:

k = 1:
; k = 2:
;k = 3:
.

Unter konstanten Wärmeübertragungsbedingungen (konstante Temperaturen der Flüssigkeit, die den Körper von verschiedenen Seiten umspült, und konstante Wärmeübertragungskoeffizienten) an den Grenzen des Körpers ändert sich sein Temperaturfeld ab einem bestimmten Zeitpunkt nicht mehr und setzt ein. stationär Wärmeleitungsmodus, der für Körper der einfachsten Form durch die Poisson-Gleichung unter Einwirkung innerer Wärmequellen beschrieben wird

,

oder die Laplace-Gleichung, falls q v =0

.

Als Ergebnis der Lösung einer eindimensionalen Differentialgleichung für einen stationären Wärmeleitungsprozess findet sich das Temperaturfeld in der Form T (x 1) oder explizit T (x) - im kartesischen Koordinatensystem und T (r) - in zylindrische und sphärische Koordinatensysteme.

§2.4. Bedingungen für Eindeutigkeit,

benötigt, um die Fourier-Gleichung zu lösen

Die Wärmeleitfähigkeit DE hat unendlich viele Lösungen. Um eine eindeutige Lösung dieser Gleichung zu isolieren, die einem einzelnen Wärmeleitungsphänomen entspricht, müssen die folgenden Parameter eingestellt werden:

1. geometrische Abmessungen und Form des Körpers sowie Zeit τ für einen instationären Prozess. Beachten Sie, dass die Prozesszeit implizit gemäß einer zusätzlichen Bedingung eingestellt werden kann, z. B. Erhitzen oder Abkühlen des Körpers, bis das thermische Gleichgewicht mit der Umgebung erreicht ist;

2. physikalische Eigenschaften der Materie (Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ , spezifische volumetrische Wärmekapazität Mit"(oder spezifische Massenwärmekapazität Mit), Dichte ρ , Koeffizient der Temperaturleitfähigkeit a);

3. Verteilungsgesetz der inneren Wärmequellen q v (x ich , τ) . Im Einzelfall
;

4. Randbedingungen (BC) eingestellt Initial Temperaturverteilung in einem gegebenen Berechnungsbereich (CL) und Wärmeübertragungsbedingungen an der Grenze dieses Bereichs (BC).

§2.4.1. Anfangsbedingungen (NU)

Vor Beginn der Prozessberechnung nicht stationär Wärmeleitfähigkeit erfordert Informationen über die Temperaturverteilung im Volumen des Körpers zu einem bestimmten Zeitpunkt, die als Ursprung genommen wird, oder elementar Zeitpunkt (Zeitpunkt τ = 0). Die Funktion muss also gegeben sein

oder
,

wo - Koordinatensystem.

Im speziellen Fall eines eindimensional und gleichmäßig im Körper verteilten Volumens hat das anfängliche Temperaturfeld des HC die Form:

T (x, 0) = T 0 = konst.

Beachten Sie, dass bei Problemen der stationären Wärmeleitung das Einstellen der Anfangsbedingungen keinen Sinn macht.

§2.4.2. Randbedingungen (BC)

Bei Wärmeübertragungsberechnungen werden vier Arten von GU verwendet, die als Gattungen bezeichnet werden. Die Randbedingungen der Wärmeübertragung müssen sowohl an der äußeren Oberfläche des Körpers (externe BCs) als auch, wenn die Grenze des Rechengebiets innerhalb des Körpers liegt, an der inneren Oberfläche (interne BCs) eingestellt werden. Randbedingungen der ersten und zweiten Art können sowohl äußere als auch innere Randbedingungen der dritten Art - nur äußere Randbedingungen, Randbedingungen der vierten Art - nur innere Randbedingungen sein.

Randbedingungen erster Art

An der Grenze Bedingungen ich nett Stellen Sie den Temperaturwert an der Grenze des Berechnungsbereichs ein:

,

wo index w bedeutet "Grenze";
sind die Koordinaten der Grenze des gegebenen Rechengebiets. Im Einzelfall kann diese Temperatur nach einer momentanen Änderung der Temperatur T w zeitlich unverändert bleiben und sich entlang der Grenze nicht ändern:

.

Randbedingungen zweiter Art

Unter Randbedingungen II nett Stellen Sie den Wert der Wärmestromdichte an der Grenze des Berechnungsbereichs ein:

,

wo index w bedeutet "Grenze"; sind die Koordinaten der Grenze des gegebenen Rechengebiets.

Unter Berücksichtigung des Fourier-Gesetzes kann das PG der zweiten Art wie folgt geschrieben werden

,

wo n ist die entlang der Normalen zur Grenze des Berechnungsbereichs gerichtete Koordinate.

Im Einzelfall die Wärmestromdichte q w darf sich entlang der Grenze des Berechnungsbereichs nicht ändern und zeitlich konstant sein:

.

Randbedingungen dritter Art

Unter Randbedingungen III nett Stellen Sie die Temperatur der äußeren Umgebung des Körpers und das Gesetz der Wärmeübertragung zwischen der Umgebung und der Oberfläche des Körpers ein. Randbedingungen der dritten Art sind die allgemeinsten und am häufigsten verwendeten Randbedingungen in der Berechnungspraxis. Als Gesetz der Wärmeübertragung zwischen der Umgebung des Körpers und der Oberfläche des Körpers wird in technischen Berechnungen am häufigsten das Gesetz der Wärmeübertragung - das Newtonsche Gesetz - verwendet

wo – Wärmeübertragungskoeffizient (denken Sie daran, dass die Wärmeübertragung im Allgemeinen durch Konvektion und Strahlung erfolgt); Tf ist die Flüssigkeitstemperatur; Tw ist die Körperoberflächentemperatur.

Unter Berücksichtigung des Fourier-Gesetzes kann das PG der dritten Art wie folgt geschrieben werden

,

wobei das Vorzeichen + oder - im Fourier-Gesetz von der Wahl des Ursprungs des Koordinatensystems abhängt.

Bei Berechnungen der Wärmeleitfähigkeit wird die dimensionslose Schreibweise der Randbedingungen der dritten Art verwendet

, wo
ist die dimensionslose Temperatur;
ist die dimensionslose Koordinate senkrecht zur Wärmeaustauschfläche; R - charakteristisch oder Bestimmung der Körpergröße;
– Kriterium Biot (Biot); λ w ist die Wärmeleitfähigkeit des Festkörpers.

Kriterium Biot - bestimmend Kriterium bei Wärmeleitungsproblemen, d.h. Die Intensität des Wärmeleitungsprozesses hängt von seinem Wert ab. Die physikalische Bedeutung des Biot-Kriteriums kann aufgedeckt werden, indem seine Formel in das Formular geschrieben wird

,

d.h. das Biot-Kriterium charakterisiert:

a) das Verhältnis der Intensität der äußeren Wärmeübertragung () zur Intensität der inneren Wärmeübertragung (/R);

b) das Verhältnis des Wärmewiderstands der Wärmeleitfähigkeit (R/) zum Wärmewiderstand der konvektiven Wärmeübertragung (1/).

Randbedingungen der vierten Art

Randbedingungen der Art IV legen die Bedingungen für die Wärmeübertragung an der Grenze eines idealen Kontakts zwischen zwei Körpern fest, die aus verschiedenen Stoffen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften bestehen. In diesem Fall haben beide Körper in der Zone des idealen Kontakts gleiche Temperaturen und Wärmeströme

, oder unter Verwendung des Fourier-Gesetzes
.

§2.5. Methoden zur Lösung eines Randwertproblems in der Theorie der Wärmeleitung

Alle Methoden zur Lösung des Randwertproblems der Wärmeleitungstheorie lassen sich in zwei große Gruppen einteilen. Die erste Gruppe umfasst Methoden, die moderne Werkzeuge der mathematischen Analyse, Computermathematik und Computertechnologie verwenden, daher werden sie genannt theoretisch Methoden. Die zweite Gruppe umfasst Methoden, mit denen das Temperaturfeld als Ergebnis des Experiments gefunden wird. Daher werden sie experimentelle Methoden genannt.

Experimentelle Methoden werden in ähnlichkeitstheoretische Methoden und Analogiemethoden unterteilt. Nach der Methode der Ähnlichkeitstheorie wird das Temperaturfeld experimentell an einem Modell gefunden, in dem ein Prozess gleicher physikalischer Natur wie im Simulationsobjekt implementiert ist. Nach der Analogiemethode wird die Untersuchung des Wärmeleitungsprozesses durch die Untersuchung eines Prozesses anderer physikalischer Natur ersetzt, der ähnlich wie der Wärmeleitungsprozess abläuft. Diese Analogie manifestiert sich in differentiellen Transportgleichungen, die formal identisch sind und sich auf unterschiedliche physikalische Phänomene beziehen.

Theoretische Methoden lassen sich in analytische, numerische, numerisch-analytische Methoden unterteilen.

Bei Verwendung analytischer Methoden wird die Lösung in Form einer endlichen Formel oder einer unendlichen Reihe erhalten. Es gibt exakte Analysemethoden (die Methode der Variablentrennung oder Fourier-Methode, die Methode der Integraltransformationen, die Methode der konformen Abbildungen usw.) und die approximativen Analysemethoden (verschiedene Formen der Variationsmethoden, die Methode der Substitutionen usw. ). Exakte analytische Methoden lassen sich nur auf lineare Probleme der Wärmeleitungstheorie anwenden.

Bei der Verwendung numerischer Methoden wird die Lösung des Problems in Form eines Satzes von Temperaturwerten an diskreten Punkten im Raum zu diskreten Zeiten erhalten. Gegenwärtig werden für Verfahren zur Lösung von Wärmeübertragungsproblemen am häufigsten die Gittermethode und die Finite-Elemente-Methode verwendet.

Verfahren, die analytische Lösungen verwenden, um Temperaturwerte an diskreten Punkten im Raum zu diskreten Zeiten zu erhalten, werden als numerisch-analytisch bezeichnet (Randelementmethode, R-Funktionsmethode, Methode der diskreten Erfüllung von Randbedingungen usw.).

§2.6. Instationäre Wärmeleitung in Körpern einfachster Form

Als Ergebnis der Lösung des Problems der instationären Wärmeleitung wird das Temperaturfeld gefunden
sich in Raum und Zeit verändern. Genaue analytische Lösungen der Differentialgleichung der Wärmeleitung für Körper der einfachsten Form mit Randbedingungen vom Typ I, II und III sind in der Richtlinie "Instationäre Wärmeleitung" Nr. 1684 angegeben. Zur Vereinfachung der technischen Berechnungen wird die analytische Lösung für PG vom Typ III in Form von Diagrammen dargestellt - Nomogrammen, die für Körper der einfachsten Form auch im selben Handbuch Nr. 1684 angegeben sind. Daher betrachten wir die Problemstellung und den Algorithmus zur Bestimmung des Temperaturfeldes mit Hilfe von Nomogrammen weiter.

§2.6.1. Mathematische Formulierung des Problems

Die lineare Differentialgleichung der Wärmeleitung für klassisch geformte Körper ohne innere Wärmequellen hat die Form

,

wo x 1 die erste Koordinate im orthogonalen Koordinatensystem ist; k = 1, 2 oder 3 – Körperformfaktor; k ist der Koeffizient der Temperaturleitfähigkeit.

Das Temperaturfeld befindet sich in dem Rechenbereich, der durch die Symmetrieachse des Körpers und seine äußere Begrenzung begrenzt wird (siehe Abb. 1.2). Um die eindeutige Lösung dieser Gleichung zu isolieren, setzen wir die Eindeutigkeitsbedingungen:

Rechenbereichsgröße
;

Die thermophysikalischen Eigenschaften des Körpermaterials sind bekannt: a und λ ;

Es gibt keine internen Wärmequellen:
;

Anfangsbedingungen: T (x 1, 0) = T 0;

Grenzbedingungen:

a) am inneren Rand folgt aus der Symmetriebedingung des Temperaturfeldes, dass
;

b) am äußeren Rand wird der Wärmeübergang durch die Umgebungstemperatur T f und den Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt

.

Die Lösung des Problems wird das Temperaturfeld für die gegebenen Eindeutigkeitsbedingungen sein.

Reis. 2.2. Zur Berechnung des Temperaturfeldes bei BC III Art

In der Praxis der Ingenieurrechnungen findet man eine allgemeine Lösung des Temperaturfeldes in dimensionsloser Form
abhängig vom dimensionslosen Wärmeübergangskoeffizienten - das Biot-Kriterium (Bi) an dimensionslosen Raumpunkten (X) zu Zeiten Fo. Die mathematische Formulierung des Problems hat in diesem Fall die Form:

.

Ausgangsbedingung

Grenzbedingungen:

a) am inneren Rand
;

b) am äußeren Rand
,

wo ist die dimensionslose Temperatur;
ist die dimensionslose Koordinate; R - charakteristisch oder Bestimmung der Körpergröße; – Bio-Kriterium; λ w ist die Wärmeleitfähigkeit des Festkörpers;
– dimensionslose Zeit – Fourier-Kriterium.

Als Ergebnis der Lösung des Problems der instationären Wärmeleitung, geschrieben in dimensionsloser Form, erhalten wir die funktionale Abhängigkeit
. Zur einfacheren Analyse der Lösung wird diese Abhängigkeit grafisch für das thermische Zentrum und die Oberfläche jedes Körpers separat dargestellt. Dass. die am häufigsten verwendeten sechs Abhängigkeitsgraphen
für spezifische Werte k=1,2 und 3 an den Punkten X=0 und X=1, die in Lehrbüchern zu TMT und in den Richtlinien Nr. 1684 angegeben sind. Auf Abb. 2.3. zeigt eine Übersicht des Nomogramms zur Berechnung der instationären Wärmeleitfähigkeit in Körpern der einfachsten Form unter Randbedingungen dritter Art.

Abb.2.3. Nomogramm zur Berechnung der instationären Wärmeleitfähigkeit bei PG der III. Art

Bei der Berechnung der instationären Wärmeleitfähigkeit gibt es zwei Hauptformulierungen des Problems: direkt und invers. Der Zweck der Lösung des direkten Problems besteht darin, das Temperaturfeld (Θ) unter gegebenen Eindeutigkeitsbedingungen (Fo, Bi) zu bestimmen. Als Ergebnis der Lösung des inversen Problems der Wärmeleitung unter Verwendung des bekannten Temperaturfelds (Θ) werden die Eindeutigkeitsbedingungen gefunden - die Zeit des Wärmeleitungsprozesses oder der Wärmeübertragungskoeffizient. Wenn Θ und Bi durch den Zustand des Problems gegeben sind, dann wird das Kriterium Fo aus dem Zeitplan bestimmt und dann die Prozesszeit. Wenn Θ und Fo entsprechend der Problembedingung gegeben sind, wird das Kriterium Bi aus dem Diagramm bestimmt, dessen Wert zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten verwendet wird.

Direkte Darstellung des Problems der Berechnung der instationären Wärmeleitfähigkeit

Gegeben:
, wo – Erwärmungs- oder Abkühlungszeit des Körpers

Find: 1) Körperoberflächentemperatur

2) die Temperatur des thermischen Zentrums des Körpers

3) durchschnittliche Körpertemperatur nach Gewicht
.

1. Bevor Sie mit der Berechnung beginnen, müssen Sie die Größe des Berechnungsbereichs R berechnen, der für einen unendlichen Zylinder und eine Kugel gleich dem Radius des Körpers ist, und für eine unendliche Platte - mit symmetrischer Erwärmung oder Abkühlung und entsprechend,
, wenn auf einer Seite der Platte keine Wärmeübertragung stattfindet - ein asymmetrischer Wärmeleitungsprozess.

2. Kriterien berechnen
und nach den Diagrammen für die Oberfläche und das thermische Zentrum des Körpers bestimmen wir die dimensionslosen Oberflächentemperaturen
und zentrieren beziehungsweise.

3. Finden Sie die Temperaturen an der Oberfläche und in der Mitte des Körpers. Da per Definition erhalten wir dann, wenn wir die unbekannte Temperatur ausdrücken
, wobei Т = Т w , wenn
und T = T s wenn
.

4) Wir berechnen die durchschnittliche Körpertemperatur nach Gewicht am Ende des Wärmeleitungsprozesses. Geht man von einer parabolischen Temperaturverteilung über den Querschnitt von Körpern einfachster Form aus, sieht die Formel zur Berechnung der Massenmitteltemperatur wie folgt aus:

,

wobei k der Körperformfaktor ist;
ist der Temperaturunterschied über den Körper.

Umgekehrte Darstellung des Problems der Berechnung der instationären Wärmeleitfähigkeit

A. Bestimmung der Zeit des Aufheiz-/Abkühlvorgangs

Finden Sie: 1) die Zeit des Wärmeleitungsprozesses - ;

2) die Temperatur des Thermalzentrums
, oder die Oberflächentemperatur
;

3) durchschnittliche Körpertemperatur nach Gewicht.

Der Algorithmus des oben gestellten Problems ist wie folgt.

1. Vor Beginn der Berechnung muss die Größe der Berechnungsfläche R berechnet werden, die für einen unendlichen Zylinder und eine Kugel gleich dem Radius des Körpers ist, und für eine unendliche Platte - mit symmetrischer Erwärmung oder Abkühlung und dementsprechend, wenn auf einer der Seiten der Platte keine Wärmeübertragung stattfindet - ein asymmetrischer Prozess der Wärmeleitung.

2. Berechnen Sie das Temperaturkriterium , oder abhängig von den Anfangsdaten und dem Kriterium Bi. Dann nach den Diagrammen
oder
wir bestimmen das Fourier-Kriterium.

3. Berechnen Sie die Prozesszeit mit der Formel
.

4. Wir finden die unbekannte Temperatur und die Massenmitteltemperatur unter Verwendung des Algorithmus zur Lösung des direkten Problems.

B. Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten von der äußeren Umgebung zur Körperoberfläche

Gesucht: 1) Wärmeübergangskoeffizient - ;

2) Temperatur des thermischen Zentrums oder Oberflächentemperatur; wir bestimmen das Biot-Kriterium, wobei x 1 die Koordinate m ist; k ist der Körperformfaktor. Wenn wir in die letzte Gleichung die Werte des Körperformkoeffizienten und die Bezeichnung der Koordinate für die Körper der einfachsten Form einsetzen, erhalten wir an jedem Punkt der flachen Wand. Daher können wir für jede i-te Schicht einer mehrschichtigen Wand schreiben

,

wo
– Temperaturunterschied auf der i-ten Schicht der mehrschichtigen Wand;
- Wärmewiderstand der Wärmeleitfähigkeit der i-ten Schicht der mehrschichtigen Wand.

Aus dem letzten Ausdruck folgt, dass die Temperaturdifferenz auf jeder Schicht einer mehrschichtigen Wand direkt proportional zum Wärmewiderstand dieser Schicht ist

Die Wärmestromdichte für eine ebene Wand bestehend aus n Schichten errechnet sich nach der Formel:

.

Zylindrische Wand

Lösen wir die Differentialgleichung der Wärmeleitung für eine zylindrische Wand unter folgenden Eindeutigkeitsbedingungen:

Die Innen- und Außenradien der zylindrischen Wand sind gleich r 1 und r 2 m;

Richtlinien

Afanasiev, O.B. Sennikova, E.A. Shakirova. TheoretischGrundlagenWärmetechnik. Auslegung und Berechnung eines rekuperativen Wärmetauschers. Methodisch..., 1987.-352 p. Baklastov A.M. Industriell Wärme- und Stofftransport Prozesse und Anlagen / A.M. Baklastow, ...

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WÄRMETECHNIK

Lernprogramm

SAMARA 2012

Wärmetechnik: Methode, Anleitung / Samar. Zustand Luft- und Raumfahrt, Universität; Komp. VN Belozertsev, A. P. Tolstonogow. Samara, 2012. 40 S.

Es werden die Hauptfragen für die selbstständige Bearbeitung des Lehrgangsprogramms Thermodynamik, Wärmeübertragung skizziert, die methodischen Aspekte der behandelten Themen, Kontrollfragen, Materialien für die Kursarbeit, für das Selbststudium und die Methodik zur Durchführung von Tests skizziert.

Für Studierende der Fachrichtung 160301.65 „Flugzeugantriebe und Kraftwerke“ sowie Ausbildungsbereiche im Rahmen des Landesbildungsstandards der dritten Generation – 160700.65 „Konstruktion von Luftfahrzeugen und Raketentriebwerken“, 141100.62 werden methodische Leitlinien empfohlen „Energietechnik“, 151900.62 „Konstruktion und technologische Unterstützung des Maschinenbaus“, 151000.62 „Technische Maschinen und Anlagen“, 162300.62 „Technischer Betrieb von Luftfahrzeugen und Triebwerken“, 190700.62 „Technik von Transportprozessen“.

Veröffentlicht durch Entscheidung des Editorial and Publishing Council der Samara State Aerospace University. Akademiker S. P. Korolev

Rezensent: d.t.s. Prof. VN Matwejew

1. Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik ......................................... ......................................... 5

2. Theorie der Wärmeübertragung ...................................... ................................................... .. ... zehn

3. Energiequellen und Wärmekraftanlagen von Luftfahrtunternehmen .......... 13

4. Kontrollarbeiten für alle Fachrichtungen .......................................... ... ................ zwanzig

Aufgabe Nr. 1 zur Wärmeaustauschrate .......................................... ..................................................... 21

Aufgabe Nr. 2 Hausarbeit zur Thermodynamik .......................................... .. ......................... 22

Liste der Hauptliteratur .................................................. ................ .................................. ....... 36

Liste weiterführender Literatur .................................................. ................................................. 36

Liste der verwendeten Quellen .................................... ................... ................................ 36

Bewerbungen .................................................... ................................................. . ................ 37

Ein Spezialist, der Organisator des Lufttransports einer Fluggesellschaft, muss oft Probleme im Zusammenhang mit den Anforderungen und Bedingungen für die Lagerung, den Transport und sogar den Betrieb von Lufttransporteinrichtungen lösen.

Dies können große Produkte, ihre Blöcke, Wärmekraftmaschinen, Wärmekraftwerke und -systeme für verschiedene Zwecke, Komplexe pneumatischer und hydraulischer Systeme verschiedener technischer Geräte sein.

Eine der vielen Aufgaben von Luftverkehrsdiensten kann darin bestehen, die erforderlichen Bedingungen für die Bodenlagerung von Transportmitteln vor dem Versand an den Adressaten sicherzustellen. In diesem Fall benötigt der Fachmann Kenntnisse über Gebäudeheizungssysteme, Kälte- und Heizungsanlagen sowie Klimaanlagen. Schließlich können Fragen zur Wahl des Brennstoffs, zur Verwendung nicht traditioneller Energiequellen und zur Energieeinsparung auftauchen.

Ziel des Studiengangs „Wärmetechnik“ ist es, den Absolventinnen und Absolventen die Kenntnisse, Fertigkeiten und Fähigkeiten zu vermitteln, die ausreichen, um die implementierten Prozesse und die Besonderheiten des Betriebs von Energiesystemen, Geräten, Aggregaten zu verstehen; dieses Wissen zu systematisieren und auf die Ingenieurebene zu bringen. Der Studiengang mit allgemeiner Energieorientierung befähigt angehende Fachkräfte, eine Energiesparpolitik im Unternehmen zu verfolgen.

Das Kursprogramm besteht aus drei Abschnitten mit 12 Themen. Es stellt neben theoretischen Fragen einen großen Fragenkatalog zur Selbstprüfung dar und enthält auch methodische Anleitungen zum Studium des Faches und zur Durchführung von Prüfungen, die bei der Laborprüfungssession an der Schutzuniversität vorgelegt werden. Zur selbstständigen Durchführung der Prüfungsarbeiten muss der Studierende die empfohlene Basis- und Zusatzliteratur und -materialien verwenden, die bei der Fluggesellschaft am Arbeitsplatz des Studierenden erhältlich sind.

Zu jedem Thema aller Abschnitte werden Empfehlungen zum Selbststudium gegeben, auf besonders zu beachtende Materialien hingewiesen und Kontrollfragen zur Selbstkontrolle der Qualität der Bewältigung des Themas gestellt. Besonderes Augenmerk im Inhalt des Kurses wird darauf gelegt, die physikalische Natur der betrachteten Phänomene aufzudecken und sie mit den Merkmalen der Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit in ihrer Verwendung zu verknüpfen.

Während der Sitzung hören die Studierenden Übersichtsvorträge zu den Hauptthemen des Kurses, führen Laborarbeiten durch und verteidigen sie, testen Arbeiten, die am Ende der Richtlinien angeboten werden, und legen dann Prüfungen oder Tests ab.

THEORETISCHE GRUNDLAGEN DER WÄRMETECHNIK

Ziele und Ziele des Kurses. Kurzer Überblick über Kraftwerke und Energiesysteme des Luftfahrtunternehmens. Energiequellen.

Thema 1. Grundbegriffe der technischen Thermodynamik

Technische Thermodynamik und ihre Grundbegriffe: Arbeitsmedium, thermodynamisches System und Verfahren. Statusoptionen. Gesetze idealer Gase. Das kombinierte Gesetz von Boyle-Mariotte und Gay-Lussac. Die Zustandsgleichung für ein ideales Gas. Wärme, Arbeit, innere Energie, Wärmekapazität. Erster Hauptsatz der Thermodynamik. Enthalpie. R-V -Diagramm und seine Eigenschaften. Reversible und irreversible Prozesse. polytrope Prozesse. Sonderfälle polytroper Prozesse: isochor, isobar, isotherm, adiabat. Grafische Analyse polytroper Prozesse. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Das Konzept der kreisförmigen thermodynamischen Prozesse - Zyklen. Direkte und umgekehrte Zyklen. Energieumwandlungskoeffizienten in Zyklen: thermischer Wirkungsgrad, Kühlkoeffizient, Heizkoeffizient. Carnot-Zyklus. Satz von Carnot. Clausius-Integral für reversible und irreversible Prozesse. Entropie. TS - Diagramm und seine Eigenschaften. Thermodynamische Identität. Exergie, ihre Arten und Komponenten. Exergie eines Stoffes in einem geschlossenen Volumen. Das Guy-Stodola-Theorem. Exergie eines Stoffes in einer Strömung. Anergie. Exergieeffizienz technischer Systeme. Umwandlungskoeffizienten und Exergieeffizienz.

Das Material zu diesem Thema enthält die notwendigen Konzepte, auf deren Grundlage die folgenden Themen vorgestellt werden.

Es muss klar verstanden werden, dass die gegenseitige Umwandlung einiger Energieformen (Wärme, innere Energie, Arbeit) eines thermodynamischen Systems (TDS) in andere mit einer Änderung seiner Zustandsparameter einhergeht. Eine kontinuierliche Änderung der Zustandsparameter eines TDS wird als thermodynamischer Prozess bezeichnet. Das Studium der Prozesse sollte mit einem polytropen Prozess als Verallgemeinerung aller Prozesse beginnen und dann mit seinen Spezialfällen. Wärme und Arbeit dienen als Maß für die übertragene Energiemenge. Das quantitative Verhältnis bei gegenseitigen Umwandlungen und Umwandlungen einiger Energieformen in andere legt den ersten Hauptsatz der Thermodynamik fest und die Bedingungen, unter denen diese Umwandlungen möglich sind - den zweiten Hauptsatz. Darüber hinaus legt das zweite Gesetz die notwendigen Bedingungen für die Implementierung von Zyklen periodisch betriebener Wärmekraftmaschinen fest. Es wird empfohlen, die Gleichung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik für alle Sonderfälle polytroper Prozesse aufzustellen. Wenn Sie den Carnot-Zyklus in Betracht ziehen, finden Sie heraus, warum er der ideale Zyklus für jeden Motor und jede Kältemaschine ist. Demonstrieren Sie am Beispiel der Eigenschaften von Entropie und thermodynamischer Identität die Richtung des Ablaufs thermodynamischer Prozesse.

Der Schüler muss verstehen, dass Exergie eine Eigenschaft eines thermodynamischen Systems oder Energieflusses ist, bestimmt durch die Menge an Arbeit, die von einem externen Energieempfänger in seiner reversiblen Wechselwirkung mit der Umgebung aufgenommen werden kann, bis ein vollständiges Gleichgewicht hergestellt ist. Der Student muss jedoch verstehen, dass die Arbeit das endgültige und notwendige Ergebnis des Betriebs von Wärmekraftwerken ist. Die Ziele technischer Systeme zur Umwandlung von Materie und Energie sind für moderne Verhältnisse äußerst vielfältig und bestehen neben der Gewinnung von Arbeit in der Umwandlung und Erzeugung von Materie, Wärme, Kälte, Strahlung der erforderlichen Parameter usw. Daher ist der Begriff „Exergie“ als Energie zu verstehen, die nicht durch Entropie gekennzeichnet ist. Arbeit, die eine solche Energie im Übergang ist, wird als Maß dieser Energie verwendet, aber nicht als Endziel von Energietransformationen.

Fragen zur Selbstkontrolle

1. Was versteht man unter einem thermodynamischen System und einem thermodynamischen Prozess?

2. Wie bestimmt man den absoluten Druck des Arbeitsmediums, wenn die Messwerte des Barometers und des Manometers (Barometer und Vakuummeter) bekannt sind?

3. Schreiben Sie die Dimensionen der in diesem Abschnitt angetroffenen thermodynamischen Parameter und Kalorienmengen auf.

4. Listen Sie die in diesem Abschnitt erwähnten Zustandsfunktionen auf. Formulieren Sie ihre Eigenschaften.

5. Definieren Sie ein ideales Gas.

6. Welcher Prozess wird als polytrop bezeichnet? Nennen Sie die Hauptmerkmale des polytropen Prozesses.

7. Nennen Sie Sonderfälle polytroper Prozesse. Stellen Sie sie sich vor
P-V- und T-S- Koordinaten.

8. Kann die Wärmekapazität bei einem polytropen Prozess mit Wärmeeintrag negativ werden? Erklären.

9. Was ist die physikalische Bedeutung der Gaskonstante?

10. Schreiben Sie den ersten Hauptsatz der Thermodynamik für einen isothermen Prozess auf.

11. Welche thermodynamischen Prozesse sind am vorteilhaftesten, um die maximale Arbeit des Prozesses zu erhalten?

12. Listen Sie charakteristische Eigenschaften auf P-V- und T-S- Diagramme. Nenne Beispiele.

13. Kreisprozess-Zyklen definieren. Beschreiben Sie die äußeren Anzeichen von direkten und umgekehrten Zyklen. Welche Koeffizienten werden verwendet, um ihre Wirksamkeit zu bewerten?

14. Schreiben Sie den Ausdruck für den thermischen Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus.

15. Verwenden T-S- Diagramme beweisen, dass der Carnot-Zyklus, der bei den gleichen maximalen und minimalen Temperaturen wie jeder reale Zyklus realisiert wird, einen größeren Wert der thermischen Effizienz hat.

16. Beweisen Sie mit Hilfe des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, dass sich die Isotherme und der Adiabat nur in einem Punkt schneiden können.

17. Was ist Exergie, Anergie? Kann die Exergie Null sein?

18. Was ist Exergieeffizienz?

19. Geben Sie Beispiele dafür, wie die Exergiebilanz verwendet werden kann, um die Möglichkeit der Umsetzung eines bestimmten thermodynamischen Prozesses zu beurteilen.

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Genehmigt vom Bildungsministerium der Russischen Föderation als Lehrbuch für Studenten von Hochschulen, die in der Richtung der Ausbildung von Absolventen "Wärmeenergietechnik" studieren

Zweite Auflage, stereotyp

MOSKAU "VERLAG ENGINEERING-1"

UDC 536.7(07) BBK Í 311ya73-1 L99

R e e n s e n t s:

Abteilung für industrielle Wärmeenergietechnik, Staatliche Technische Universität Voronezh,

Leiter der Abteilung Verdienter Arbeiter für Wissenschaft und Technologie der Russischen Föderation, Doktor der technischen Wissenschaften, Professor,

V. V. Faleev

Doktor der Technischen Wissenschaften, Professor,

S. A. Ulybin

Diese Veröffentlichung wurde gesponsert von OAO Tambovenergo,

Ljaschkow W.I.

L99 Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik: Proc. Beihilfe.

2. Aufl., ster. M.: Verlag Mashinostroenie-1, 2005. 260 p.

Das Lehrbuch skizziert in knapper und konsequenter Form die theoretischen Grundlagen der Wärmetechnik (Grundlagen der Thermodynamik, der Theorie des Wärme- und Stofftransports und der Verbrennungslehre), die die notwendige und ausreichende Menge an Informationen ausmachen, damit sich in Zukunft ein Fachmann selbstständig machen kann Kenntnisse in bestimmten Bereichen der angewandten Wärmetechnik vertiefen. Das Unterrichtsmaterial wird in separaten, relativ kleinen Dosen präsentiert, deren Struktur und Reihenfolge der Präsentation von der inneren Logik dieser Wissenschaften bestimmt wird.

Konzipiert für Studierende der Fachrichtung „Energieversorgung von Unternehmen“. Es kann von Studierenden anderer Fachrichtungen genutzt werden, wenn sie die Disziplinen des Profils Wärmetechnik studieren.

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Zur Veröffentlichung unterzeichnet am 17. März 2005.

Format 60 × 84 / 16. Offsetpapier. Offsetdruck.

Schriftart Times New Roman. Lautstärke: 15.11 Arb. Ofen L.; 16.0 Aufl. l.

Auflage 500 Exemplare. Bestellen Sie 165 Millionen.

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Für den Druck vorbereitet und im Verlags- und Druckzentrum der Staatlichen Technischen Universität Tambov gedruckt,

392000, Tambow, Sowjetskaja, 106, Gebäude 14

In gesegneter Erinnerung an meinen Lehrer

Alexander Silych Lyshevsky (1922–1981) Verdienter Arbeiter für Wissenschaft und Technologie der Russischen Föderation, Doktor der technischen Wissenschaften, Professor,

Diese bescheidene Arbeit ist gewidmet

Obwohl die Veröffentlichung von Lehrbüchern in technischen Disziplinen in den letzten 10 Jahren praktisch aufgehört hat, gibt es in den Regalen der Bibliotheken immer noch viele Lehrbücher mit den Titeln "Allgemeine Wärmetechnik", "Wärmetechnik" usw., die in den 60-80er Jahren veröffentlicht wurden. Leider macht die unerbittliche Zeit, neue Aufgaben und Ansätze vorzustellen und neue wissenschaftliche Errungenschaften zu meistern, sie zunehmend ungeeignet, modernen Studenten, die einen edlen Lebensweg gewählt haben, bedingungslos zu empfehlen: Nachdem sie die Spezialität der thermischen Energietechnik erhalten haben, sich der Lösung zu widmen das wichtigste nationale Problem - die Verhinderung einer Energiekrise, die unserem Land immer näher kommt.

Daher beschließt der Autor, diese Arbeit zu veröffentlichen, in der Hoffnung, dass sie den Studenten die Beherrschung der theoretischen Grundlagen der Wärmetechnik, einer wirklich grenzenlosen Wissenschaft, die die Funktionsprinzipien, die Grundlagen des Designs und die Berechnungsmerkmale untersucht, erheblich erleichtern wird alle Arten von Maschinen, Apparaten und Geräten, in denen Wärmeenergie auftritt.

Heute wird bei der Gestaltung des Bildungsprozesses besonderer Wert auf die selbstständige Arbeit der Studierenden gelegt. Gleichzeitig werden Vorlesungen immer weiter reduziert, Vorlesungen sind immer häufiger überblicks- oder problematischer Natur. In einer solchen Situation ist es nicht einfach, Lehrmaterial richtig auszuwählen und so anzuordnen, dass es die innere Logik der Wissenschaft widerspiegelt, so dass die Präsentation ganzheitlich, konsistent und verständlich für Menschen ist, die gerade erst anfangen, sich mit dieser Wissenschaft vertraut zu machen.

Das Handbuch spiegelt die langjährige Erfahrung des Autors mit Studenten des zweiten - dritten Kurses wider. Es stellt eine konsequente und prägnante Darstellung der Grundlagen der Thermodynamik, der Wärmeübertragung, der Theorie des Stofftransports, der Verbrennungstheorie usw. dar und wurde nicht geschrieben, um die erwähnten Lehrbücher zu ersetzen. Vielmehr ist es das erste Tor zu einem großen und interessanten Wissensgebiet der Wärmetechnik. Es umfasst daher nur jenes Lehrmaterial, dessen Aneignung für den Erwerb eines solchen theoretischen Ausbildungsniveaus erforderlich ist, das eine künftige Wissensvermehrung bei anschließender selbständiger Arbeit mit Lehrbüchern, Monographien, Nachschlagewerken etc.

EINLEITUNG

Nahezu jeder Bereich der Ingenieurtätigkeit ist heute weitgehend mit den Problemen der Energieeinsparung, der Entwicklung, Implementierung und dem Betrieb ressourcenschonender Technologien, mit den Fragen der Energieumwandlung und -übertragung verbunden. Das Studienfach „Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik“ soll der angehenden Fachkraft Kenntnisse über allgemeine Gesetzmäßigkeiten und darauf aufbauende Ingenieurmethoden zur Berechnung der bei der Erzeugung, Umwandlung und Verteilung von Wärmeenergie im Weltraum ablaufenden Prozesse vermitteln. Strukturell umfasst dies drei getrennte Wissenschaften: „Thermodynamik“, „Wärmeübertragung“ und „Grundlagen der Verbrennungstheorie“.

Die Thermodynamik untersucht die Gesetze der Umwandlung verschiedener Energiearten in Wärme (und umgekehrt - Wärme in andere Energiearten) sowie die Merkmale der physikalischen Prozesse, die diese Umwandlungen begleiten. Als eigenständige Wissenschaft nahm die Thermodynamik Anfang des 19. Jahrhunderts Gestalt an, obwohl viele ihrer grundlegenden Bestimmungen schon früher im Rahmen der allgemeinen physikalischen Theorie entdeckt und formuliert wurden. Unter den Gründern und Wissenschaftlern, die den größten Beitrag zur Entwicklung der Thermodynamik geleistet haben, treffen wir auf bekannte Namen: M. V. Lomonosov, der in seiner Arbeit „Reflections on the Causes of Heat and Cold“ (1744) eine einheitliche Theorie der Wärme und Wärme vorschlug Aufbau der Materie, Formulierung der Erhaltungssätze Masse und Energie, D. Joule, W. Thomson, R. Clausius, S. Carnot, G. Hess, L. Boltzmann,

V. Gibbs, M. P. Vukalovich, A. A. Gukhman und andere Details über die Entwicklungsgeschichte der Thermodynamik und den Beitrag einzelner Wissenschaftler zu dieser Wissenschaft finden Sie in einem interessanten Buch. In mehr als einhundertfünfzig Jahren ihrer Entwicklung hat diese Wissenschaft methodisch einwandfreie Formen und eine strenge Axiomatik erworben, so dass sie heute zu Recht als klassische Thermodynamik bezeichnet wird.

Die Thermodynamik hat kein eigenes Studienfach, anders als beispielsweise die Biologie, die sich mit lebenden Organismen befasst, oder die Geometrie, die sich mit ebenen Figuren befasst. Dies ist eine methodische Wissenschaft, die uns mit einer spezifischen Forschungsmethode ausstattet, deren Grundlage die Betrachtung aller Prozesse der materiellen Welt durch das Prisma der von der Thermodynamik festgelegten Grundgesetze der Natur ist.

Die Wärmeübertragung, oder besser gesagt die Theorie der Wärme- und Stoffübertragung, ist eine Wissenschaft, die die Prozesse der Verteilung von Wärme (oder Masse, da eine klare Analogie solcher Prozesse aufgedeckt wurde) im Raum untersucht. Die Prozesse der Wärmeausbreitung im Weltraum mit all ihrer Vielfalt sind Gegenstand dieser Wissenschaft. Auch die Grundbegriffe und Gesetze der Theorie der Wärmeübertragung wurden im Rahmen der allgemeinen physikalischen Theorie zu Beginn ihrer rasanten Entwicklung formuliert. So wurden die Grundlagen der analytischen Theorie der Wärmeleitung bereits 1822 von J. Fourier gelegt. Mitte des 19. Jahrhunderts wurden die Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie formuliert und 1915 erstmals von W. Nusselt zur Untersuchung von Wärmeübertragungsprozessen angewendet. Etwas früher wandte O. Reynolds es bei der Untersuchung hydrodynamischer Prozesse an und drückte die Idee einer Analogie zwischen einzelnen thermischen und hydrodynamischen Prozessen aus.

begann sich in den Nachkriegsjahren zu entwickeln. Hier haben unsere Landsleute den entscheidenden Beitrag geleistet, unter denen sich die Werke der Akademiker V. M. Kirpichev, M. A. Mikheev, S. S. Kutateladze, G. N. Kruzhilin und anderer hervorheben.

Als Reaktion auf neue Anforderungen der modernen Praxis entwickelt sich diese Wissenschaft schnell weiter, beherrscht zunehmend neue Anwendungsgebiete (Kernenergie, Weltraumtechnologie usw.) und erweitert und verfeinert ihre Ansätze und Methoden zur Lösung aufkommender Probleme. Und heute leisten angesehene Wissenschaftler wie die Akademiker A. I. Leontiev, V. P. Skripov, A. G. Shashkov und die Professoren G. N. Dulnev, G. A. Dreitser, S. P. Rudobasht und andere einen großen Beitrag zur Weiterentwicklung dieser Wissenschaft sowie wissenschaftliche Jugendliche, die ihre Dissertationen widmen Lösung bestimmter aktueller theoretischer und praktischer Probleme.

Die Grundlagen der Verbrennungstheorie berücksichtigen den Mechanismus der chemischen Verbrennungsreaktion, der vom Nobelpreisträger Akademiker N. N. Semenov und seinen Anhängern entdeckt wurde, sowie die physikalischen Merkmale von Verbrennungsprozessen unter verschiedenen Verbrennungsbedingungen der gängigsten Kraftstoffe. Es gibt auch eine Technik für technische Berechnungen der Verbrennung.

Wir stellen ein weiteres wichtiges Merkmal all dieser drei Wissenschaften fest: Sie konzentrieren sich auf die spezifische Ingenieurpraxis und bringen ihre Schlussfolgerungen und Schlussfolgerungen immer zu eindeutigen praktischen Empfehlungen und Berechnungsmethoden.

Die rasante Entwicklung der Computer- und Informationstechnologie stattet Forscher mit leistungsstarken Werkzeugen aus, die es relativ einfach machen, numerische Simulationen der untersuchten Phänomene durchzuführen. Es ist dieser Ansatz zur Lösung vieler Probleme der Wärmeübertragung, der heute zu einem der wichtigsten wird, da er die Arbeits- und Finanzkosten für die Lösung des Problems erheblich reduziert.

Es ist völlig klar, dass ohne fundierte Kenntnisse in allen drei Bereichen unserer akademischen Disziplin eine erfolgreiche Ingenieurtätigkeit unmöglich ist, und daher wird dem Studium der theoretischen Grundlagen der Wärmetechnik eine zunehmende Bedeutung beigemessen, insbesondere für zukünftige Fachkräfte mit direktem Bezug zur Wärmekraft Ingenieurwesen.

1 GRUNDLAGEN DER THERMODYNAMISCHEN ANALYSE

Die Prinzipien der Thermodynamik werfen ein helles Licht auf alle Naturphänomene.

D.Maxwell

1.1 ALLGEMEINE BEGRIFFE UND GESETZE DER THERMODYNAMIK

1.1.1 Grundbegriffe der Thermodynamik

d x ich = 0

die welt um uns herum ist materiell, materie ist in ständiger bewegung. Das Maß für die Bewegung der Materie heißt Energie. Am häufigsten begegnen wir mechanischen und thermischen Bewegungsformen der Materie. Im ersten Fall ist die Bewegung mit der Bewegung von Makrovolumina der Materie im Raum verbunden und im zweiten Fall mit einer Bewegung nur auf der Mikroebene (thermische Bewegung von Molekülen). Die Energieänderungen, die sich aus solchen Bewegungen ergeben, werden als mechanische Arbeit bzw. Wärme bezeichnet.

Ein Körper oder eine Gruppe von Makrokörpern, deren Energieeigenschaften untersucht werden sollen, wird als thermodynamisches System bezeichnet. Alle anderen Körper, die mit dem System interagieren können, bilden die Umgebung. Die Grenze zwischen dem System und der Umgebung wird als Steuerfläche bezeichnet. Wenn die Steuerfläche einen Massenaustausch zwischen dem System und der Umgebung zulässt, wird das System als offen bezeichnet, wenn ein solcher Austausch jedoch nicht möglich ist, wird das System als geschlossen bezeichnet. Geschlossene Systeme sind einfacher und mit ihnen beginnt das Studium der Grundlagen der Thermodynamik.

Eines der Axiome der Thermodynamik ist ihre Nullregel: Änderungen im System sind nur durch Wechselwirkung mit der Umgebung möglich. A priori akzeptieren wir diese Position und schließen viele biologische Systeme, die die Fähigkeit zu spontanen Veränderungen haben, von den Analyseobjekten aus.

Die Zustände und Eigenschaften des Systems werden durch eine Reihe physikalischer Größen charakterisiert. Bei der Interaktion mit der Umgebung ändern sich einige von ihnen und werden als Systemzustandsparameter bezeichnet. Andere Größen hingegen ändern ihren Zahlenwert praktisch nicht und heißen physikalische Konstanten. Die physikalischen Konstanten charakterisieren die Eigenschaften des Stoffes, der das System füllt, und die Zustandsparameter charakterisieren die Eigenschaften des Zustandes dieses Stoffes. Beispiele für Parameter: p, T, V (Druck, Temperatur, Volumen); Beispiele für physikalische Konstanten: c p, r (Wärmekapazität, Verdampfungswärme).

Ein System heißt homogen, wenn sich seine Parameter räumlich nicht ändern, und Gleichgewicht, wenn sie sich zeitlich nicht ändern. Die nullte Regel der Thermodynamik wird manchmal wie folgt formuliert: Ohne äußere Einflüsse kommt das System früher oder später in einen homogenen Gleichgewichtszustand.

Die Zustandsparameter können in zwei Gruppen eingeteilt werden. Potentiale p sind solche Parameter, deren Differenz im Medium und im System die treibende Kraft der Wechselwirkung ist. Wenn p n i = p in i ist, ist Wechselwirkung der i-ten Art unmöglich. Wechselwirkung ist prinzipiell nur möglich, wenn p n i ≠ p in i . Beispiele für Potentiale: p, T, E (elektrisches Potential). Die Koordinaten x i sind solche Parameter, deren Änderung im System den Verlauf der Interaktion anzeigt. Wenn d x i ≠ 0, dann findet die Wechselwirkung statt, wenn die Wechselwirkung nicht stattfindet, selbst wenn es eine notwendige Potentialdifferenz gibt

cials (aufgrund des Vorhandenseins einer teilweisen oder vollständigen Isolierung des Systems). Beispiele für Koordinaten: V ,m (für chemische Wechselwirkungen), die Anzahl der elektrischen Ladungen, die während elektrischer Wechselwirkungen fließen, usw. Eine sorgfältige Analyse ermöglicht es uns, sowohl das Potential als auch die Koordinate des Zustands für jede Art von Wechselwirkung zu finden.

In Analogie zur mathematischen Feldtheorie in der Thermodynamik wird folgende Vorzeichenregel für Potentiale akzeptiert: Die Differenz p í i - p in i wird als positiv betrachtet (d.h. p í i > p in i )

der Prozess der Wechselwirkung mit einer Erhöhung der entsprechenden Koordinate des Zustands (d x i > 0 ).

Die Koordinate des thermischen Zustands wird als Entropie bezeichnet. Die Komplexität dieses Parameters besteht darin, dass er statistischer Natur ist und nicht durch direkte Erfahrung oder Messungen erfasst wird. Die Entropie eines Systems wird durch die Wahrscheinlichkeit seines Zustands bestimmt. Unter der Wahrscheinlichkeit eines Systemzustands versteht man die Anzahl der Wege, auf denen ein gegebener Zustand ausgehend von einem Anfangszustand erreicht werden kann. Daher spiegelt die Wahrscheinlichkeit des Zustands des Systems in numerischer Form das Maß der Zufälligkeit der Anordnung der Elemente wider, aus denen es besteht. Das kleinste Teilchen des Makrokosmos ist ein Molekül. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit eines Zustands den Grad der Ordnung (oder Unordnung) der Verteilung von Molekülen im Volumen eines thermodynamischen Systems charakterisiert. L. Boltzmann zeigte, dass der Wert der Entropie proportional zur Wahrscheinlichkeit des Zustands W ist und durch die Formel S = k ln W bestimmt wird, wobei k die Stefan-Konstante ist

Boltzmann (eine der universellen physikalischen Konstanten).

Wenn dem System Wärme zugeführt wird, nimmt die Intensität der thermischen Bewegung von Molekülen zu und der Grad der Zufälligkeit ihrer Verteilung im Raum nimmt ebenfalls zu. Dies bedeutet, dass sowohl W als auch S numerisch zunehmen. Wird Wärme entzogen, passiert alles umgekehrt: Die Entropie S nimmt ab.

Zum Abschluss des Abschnitts stellen wir fest, dass der bei der Einführung des Entropiekonzepts umrissene Ansatz erst vor relativ kurzer Zeit entwickelt wurde. Für eine genauere Beschäftigung mit diesem Abschnitt der Thermodynamik können wir empfehlen

nur Lehrbücher empfehlen oder, da dies in den meisten Lehrbüchern und Handbüchern etwas anders angegeben ist, nach dem von R. Clausius vorgeschlagenen Ansatz.

1.1.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik im Allgemeinen

Finden Sie den Anfang von allem, und Sie werden viel verstehen K. Prutkov

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik stellt quantitative Zusammenhänge bei der Umwandlung verschiedener Energieformen ineinander her. Lassen Sie ein thermodynamisches System (siehe Abb. 1.1) die Fähigkeit haben, gleichzeitig mehrere Arten von Wechselwirkungen mit der Umgebung durchzuführen, z. B. mechanische, thermische, chemische usw. Als Ergebnis einer solchen komplexen Wechselwirkung, in der Strömungen übertragen werden der Umgebung zum System (oder umgekehrt) Energien unterschiedlicher Art ∆ E 1 , ∆ E i , …, ∆ E n. .

			Umgebung							Die Energie des Systems, wir nennen sie innere Energie, verändert sich
			Bezugsfläche							um den Wert ∆ U reduziert. In Übereinstimmung mit dem Energieerhaltungssatz
									∆E1 .	gie (Energie verschwindet nicht und entsteht nicht wieder, ihre Menge ist immer
										bleibt konstant) die Summe aller Energieänderungen gleich ist
			thermodynamisch							Lu. Deshalb
										∆U +∑ ∆E i =0.
∆Qn			∆U
						∆Qi
									∆E i	ich=0
∆ E n . . . . . . . . . . . . . . . . . . .										Leider kann Formel (1.1) in der Technik nicht verwendet werden
										Praxis, da die darin enthaltenen Mengen nicht messbar sind.
			Komplexe inter-							Tatsächlich kann der Wert von U nicht gemessen werden, weil wegen
Aktion zwischen der Umwelt										nur eine philosophische Definition von Energie ist bekannt und es gibt keine Technik
Werte ∆ E i										Definition (es werden nur getrennte Energieformen definiert).
			kann nicht gemessen werden, da die Umgebung nicht eindeutig spezifiziert ist (wegen

nur eine seiner Grenzen ist bekannt - die Steuerfläche). Wenn wir also versuchen, Formel (1.1) umzusetzen, befinden wir uns in einer heiklen Situation, die man aus einem Kindermärchen kennt: „Geh dahin, ich weiß nicht wo, messe das, ich weiß nicht was.“

Um dies zu bestimmen, führen wir den Begriff der Höhe des Aufpralls dieser Art ∆ Q i ein und nennen ihn so

Die Menge an Energie eines bestimmten Typs, die das System bei der Interaktion mit der Umgebung aufnimmt (oder abgibt). Gemäß dieser Definition ist ∆ Q i = −∆ E i . Da das System eindeutig beschrieben ist, wird davon ausgegangen

dass alle Messungen darin möglich sind, einschließlich derjenigen, mit denen Sie die Werte von ∆ Q i bestimmen können. Nun nimmt Formel (1) die Form an

Normalerweise wird in der Thermodynamik eine Analyse von infinitesimalen Wechselwirkungen durchgeführt, daher gehen wir von endlichen Inkrementen ∆ U und ∆ Q i zu infinitesimalen dU und ∆ Q i über. Dann kann Formel (1.2) umgeschrieben werden als

dU = ∑dQi

i=1

und wir werden schließen: Die Änderung der inneren Energie wird durch die Summe der Anzahl der während der Interaktion durchgeführten Aktionen bestimmt. Betrachten wir anhand einiger einfacher Beispiele, wie die Expositionsmengen dQ i für verschiedene Arten von Wechselwirkungen bestimmt werden.

Das erste Beispiel (siehe Abb. 1.2): eine Feder, die mit einer äußeren Kraft F n belastet ist. Hier ist das Potential die Kraft F n und die Koordinate der Wert der linearen Koordinate . Wenn das externe Potential F nicht um einen Wert dF geändert wird, tritt eine mechanische Wechselwirkung auf, bei der sich die Koordinaten um den Wert dx ändern (siehe Abb. 1.2, b). Bei einer solchen Wechselwirkung ist die Menge des Aufpralls die mechanische Arbeit, die von der Feder geleistet wird:

durchschnittliche Kraft Weg

dQ = − dLmech = − 0,5 [ Fl + (Fl + dF) ] dx= 0,5 [ Fv + (Fv + dF) ] dx= = Fv dx+ 0,5 dFdx.

Reis. 1.4 Einfacher Stromkreis

Reis. 1.3 De-

x–dx

P+dp, V+dV

b)

p, v

Vernachlässigt man den zweiten Term als Wert zweiter Ordnung, so sieht man, dass die Stärke des Aufpralls durch das Produkt des inneren Potentials F in mit der Änderung der Koordinate des Zustands dx bestimmt wird.

Betrachten wir nun die Wechselwirkung in einem Verformungssystem, das ein Zylinder mit einem beweglichen Kolben ist (siehe Abb. 1.3). Die Zustandskoordinate ist hier das Volumen des Systems, und das Potential, wenn wir die bisher akzeptierte Vorzeichenregel für Potentiale berücksichtigen, ist der Druck, genommen mit umgekehrtem Vorzeichen p = − p .

Nehmen wir an, dass der Druck p n um dp zunimmt. Dann gibt es eine Wechselwirkung zwischen dem System und der Umgebung, wodurch sich der Kolben um -dx bewegt und der Druck im System um dp steigt und ein neues Gleichgewicht eintritt

stehen (siehe Abb. 1.3, b). Wie im vorherigen Beispiel ist die Auswirkung während der Systemdeformation die mechanische Arbeit, die am System bei der Interaktion mit der Umgebung verrichtet wird:

dQ = dLmech = 0,5 [ pv + (pv + dp) ] S(− dx) = − pdV − 0,5 dpdV.

durchschnittliche Kraft Weg

Als Ergebnis erhalten wir wiederum das Produkt aus dem internen Potential und der Änderung der Koordinate (unter Berücksichtigung von Sdx = dV , dpdV = 0 ).

Betrachten Sie ein weiteres Beispiel, indem Sie die elektrische Wechselwirkung in U R des einfachsten Stromkreises analysieren (siehe Abb. 1.4). Das Potential ist hier die Spannung U der Stromquelle und die Koordinate die Anzahl der elektrischen Ladungen Q,

EIN im Kreislauf fließt. Die Höhe der Auswirkung ist in diesem Fall die Arbeit

elektrischer Strom Q \u003d L el \u003d U i τ, wobei i der Strom ist, per Definition gleich der Zahl

pro Zeiteinheit fließende elektrische Ladungen i =∆ Q /τ und damit Q = U ∆ Q . Apropos infinitesimaler Prozess, aus der vorherigen Formel erhalten wir

dQ= U dQ.

Fassen wir die Ergebnisse der betrachteten Beispiele zusammen, ziehen wir folgende Schlussfolgerung: Die Größe des Einflusses dieser Art wird durch das Produkt des internen Potenzials mit dem Inkrement der entsprechenden Koordinate bestimmt:

dQi = pi dxi .

Damit lässt sich der erste Hauptsatz der Thermodynamik (Formel (1.3)) in erweiterter Form schreiben

dU = ∑pi dxi .

i=1

In den allermeisten Fällen sind die Werte von Potentialen und Koordinaten in der Praxis recht einfach zu messen (ohne Entropie).

1.1.3 Thermomechanisches System

Jeder hat seine Probe gut gemacht. Russisches Sprichwort

Ein thermomechanisches System ist ein System, in dem thermische und mechanische Wechselwirkungen gleichzeitig auftreten können. Sie sind in der Praxis weit verbreitet und bilden die Grundlage von Wärmekraftwerken, Kühlgeräten, Kompressionsgeräten und vielen anderen technologischen Geräten. Im Allgemeinen enthält ein solches System: eine Wärmequelle,

befindet sich in der Umgebung, ein Expansionselement (z. B. ein Zylinder mit einem Kolben, eine Turbine usw.), eine mechanische Vorrichtung, ein Kühlkörper in der Umgebung (siehe Abb. 1.5). Die Substanz, die das System füllt, wird Arbeitsflüssigkeit genannt. Als Arbeitsmittel werden üblicherweise Luft, Gasgemische im idealen Gaszustand, Wasserdampf, Dämpfe verschiedener organischer Verbindungen usw. verwendet. Mit guter Kompressibilität und hoher Wärmeausdehnung sind sie gegenüber anderen Flüssigkeiten oder Feststoffen thermodynamisch günstig.

Die Wärmequelle und -empfänger können kontinuierlich oder intermittierend arbeiten, was es ermöglicht, verschiedene Arten von Maschinen mit Hilfe eines thermomechanischen Systems zu realisieren. Beispielsweise nimmt das Arbeitsfluid von der Quelle Q 1 Wärme auf und gibt dem Empfänger Q 2 etwas weniger als Q 1 ab. Dann dient die Differenz Q 1 –Q 2 dazu, das Arbeitsfluid zu erwärmen. Infolge der Wärmeausdehnung des Arbeitsmediums steigt der Druck im Zylinder, wodurch eine Kraft entsteht, die den Kolben leicht nach rechts bewegt. In diesem Fall verrichtet das System Arbeit, die mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung an die Umgebung abgegeben wird. So haben wir den Betrieb einer Wärmekraftmaschine simuliert, mit deren Hilfe Wärme in Arbeit umgewandelt wird.

Das thermomechanische System ermöglicht auch die umgekehrte Transformation. Stellen Sie sich vor, dass die Wärmequelle und der Empfänger anfänglich ausgeschaltet waren (Q 1 = Q 2 = 0). Wenn mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung Arbeit auf das System ausgeübt wird, so dass sich der Kolben nach links bewegt und das Arbeitsmedium komprimiert, steigen infolge der Wechselwirkung die innere Energie und die Temperatur des Arbeitsmediums an. Lassen Sie uns nun den Wärmeempfänger einschalten und die Arbeitsflüssigkeit auf ihre ursprüngliche Temperatur abkühlen lassen. Dann gibt das Arbeitsmedium dem Empfänger Q 2 Wärme ab und seine innere Energie erhält den gleichen Wert. Wir haben es also geschafft, die aufsummierte Arbeit in Wärme umzuwandeln.

Mit dem thermomechanischen System können Sie also Wärme in Arbeit umwandeln (und umgekehrt).

Die Potentiale eines solchen Systems sind -p und T und die Koordinaten V bzw. S. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik (Formel (1.4)) wird in diesem Fall geschrieben als

wobei dQ und dL die Bezeichnungen für Wärme und Arbeit für den elementaren Wechselwirkungsprozess sind.

Die letzte Formel erleichtert das Verständnis der aus dem Schulphysikkurs bekannten Formulierung, die die Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile aussagt. Damit der Motor ewig läuft, sollte sich die innere Energie seines Arbeitsmediums nicht ändern (d. h. für ein Perpetuum Mobile gilt dU = 0). Dann ist klar, dass wir ohne Wärmezufuhr (dQ = 0) keine Arbeit bekommen (dL = 0 - 0 = 0). Der Teil der Thermodynamik, der Vorgänge in thermomechanischen Systemen untersucht, wird als technische Thermodynamik bezeichnet, was die Bedeutung der darin gewonnenen Schlussfolgerungen und Berechnungsmethoden für sehr viele technische Geräte unterstreicht.

1.1.4 Innere Energie des Gases

Die im System enthaltene Energie haben wir bisher als innere Energie bezeichnet und stellen sie als Summe aller Energiearten dar, die alle Teilchen, die das System füllen, besitzen. Apropos Gase, obwohl dies bis zu einem gewissen Grad sowohl für Flüssigkeiten als auch für Feststoffe akzeptabel ist, stellen wir fest, dass der Wert von U durch die kinetische Energie der Moleküle E kin während ihrer Translations-, Rotations- und Vibrationsbewegungen sowie durch die Energie bestimmt wird der intermolekularen Kraftwechselwirkung - die potentielle Energie des Moleküls E Schweiß:

U \u003d E kin + E Schweiß.

Die kinetische Energie von Molekülen hängt von der durchschnittlichen Bewegungsgeschwindigkeit und der Masse der Moleküle ab, die jeweils proportional zu den Makroparametern T ir (Temperatur und Dichte) des Gases sind. Der Wert von E Schweiß hängt vom durchschnittlichen Abstand zwischen den Molekülen und ihrer Masse ab; der intermolekulare Abstand wird unter sonst gleichen Bedingungen durch den Gasardruck bestimmt. Daher kann man schreiben

E kin \u003d f 1 (T, ρ) und E pot \u003d f 2 (p, ρ) ,

Grundlagen der Wärmetechnik. Wärmeleitfähigkeit.

Wärmeleitfähigkeit als physikalisches Phänomen ist die Übertragung von Wärme durch zufällig bewegte Mikropartikel, die in direktem Kontakt miteinander stehen. Moleküle bewegen sich in Gasen und Flüssigkeiten, Atome schwingen im Kristallgitter von Festkörpern, freie Elektronen diffundieren in Metallen. Das Grundgesetz der Wärmeleitung ist das Fourier-Gesetz, wonach

wobei q1 die Wärmestromdichte W/m2 ist; r - Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, W / (m-K); t - Temperatur, K; n ist die Koordinate senkrecht zur Wärmeübertragungsfläche, m.

Auf der rechten Seite von Gleichung (1.1) steht ein Minuszeichen, da die Wärmestromvektoren qt und der Temperaturgradient dt/dn entgegengesetzt gerichtet sind.

Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient ist die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit bei einem Temperaturgradienten von eins durch eine Einheitsoberfläche übertragen wird. Gleichung (1.1) gilt unter stationären Bedingungen, wenn die Temperatur nicht von der Zeit abhängt dt/dn≠0, a

In einem allgemeineren Fall, bei instationären Bedingungen, wenn sich die Temperatur zeitlich und koordinatenmäßig ändert, d. h. dt/dn≠0 und

Wärmeübertragung durch Wärmeleitfähigkeit wird durch die Fourier-Gleichung beschrieben:

Wärme kann innerhalb des Körpers erzeugt oder aufgenommen werden, beispielsweise durch chemische Reaktionen. In solchen Fällen wird das Problem mit einer internen Wärmequelle (jeweils positiv oder negativ) betrachtet und Gleichung (1.2) wird zur Gleichung

wobei Iq die Wärmequelle ist, J/(m3-s).

Der Wärmeleitkoeffizient a ist ein Merkmal der Trägheitseigenschaften des Körpers aufgrund der Wärmeausbreitung durch Wärmeleitfähigkeit. Ein Körper mit großem a erwärmt sich schneller und kühlt schneller ab.

Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von nassem Material - der äquivalente Wärmeleitfähigkeitskoeffizient - ist ein Summenwert:

wobei lc der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des trockenen festen Skeletts des Materials ist; lkond ist der Leitfähigkeitskoeffizient (Wärmeleitfähigkeit) des Flüssigkeits- und Dampf-Luft-Gemisches, die sich in den Poren des Materials in einem stationären (stationären) Zustand befinden; lconv - Koeffizient, der die Wärmeübertragung aufgrund der Luftkonvektion im Inneren des Materials charakterisiert; ll - Strahlungswärmeleitfähigkeitskoeffizient; ln - Koeffizient, der die Wärmeübertragung aufgrund der Übertragung von Masse (Feuchtigkeit) im Inneren des Materials charakterisiert.

Es gibt Hinweise darauf, dass bei einem Porendurchmesser von weniger als 0,5 mm die Werte von lconv und ll vernachlässigt werden können.

Die Wärmeleitfähigkeit von Lebensmitteln ist in Form von lekv-Werten recht gut untersucht und in Form von Tabellen und Berechnungsformeln in der Referenzliteratur dargestellt.

Wärmeerzeugende Geräte

Allgemeine Informationen zu thermischen Geräten

In den meisten Fällen werden beim Kochen Lebensmittel gekocht, gebraten, gedünstet, d.h. einer Wärmebehandlung unterzogen. Unter dem Einfluss einer bestimmten Wärmemenge ändern die Produkte ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften: Fette schmelzen, Proteine ​​gerinnen, Geschmack, Farbe, Geruch und 1 L ändern sich.Außerdem wird unter dem Einfluss hoher Temperaturen pathogene Mikroflora in der Verarbeitung zerstört Produkte.

Während der Wärmebehandlung findet eine natürliche spontane Wärmeübertragung von ihrer Quelle auf das erhitzte Produkt statt, da die Wärmequelle immer heißer als das Produkt ist.

Wärmequellen in Apparaten können Brennstoff, Strom und Wärmeträger sein. In der Praxis werden hauptsächlich Wärmeträger wie Dampf, Wasser, Öl verwendet. Die Hauptmethoden der Wärmebehandlung von Lebensmitteln sind Kochen und Braten. Das Kochen von Produkten kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden, in einem flüssigen Medium, Autoklaven und in Gefäßen mit reduziertem Druck. Alle Arten des Kochens sind durch zwei Stufen gekennzeichnet, schnelles Erhitzen des flüssigen Mediums und schwaches Erhitzen. In einigen Fällen werden gespeicherte Wärme und „Heißdampf"-Garen verwendet. Das „Heißdampf"-Garen von Produkten erfolgt durch den Kontakt von Sattdampf mit dem verarbeiteten Produkt.

Der Prozess des Bratens von Produkten wird ohne Zugabe eines flüssigen Mediums durchgeführt. Das Essen wird in einer flachen Schüssel gebraten - einer Pfanne und frittiert, wenn das Produkt vollständig in heißes Fett geladen wird.

In Gemewerden auch Hilfsmethoden zur thermischen Verarbeitung von Produkten eingesetzt. Dazu gehören: Löschen, Brühen, Sengen, sowie die Verarbeitung von Produkten mit Mikrowellen- und Infrarotheizung.

Eine neue Methode der Wärmebehandlung von Produkten ist die Verarbeitung in einem elektromagnetischen Feld mit ultrahoher Frequenz. In solchen Fällen werden die Produkte im gesamten Volumen erhitzt. Es ist zu beachten, dass das CB-Feld nur Lebensmittel erwärmt und die Arbeitskammer, das Geschirr und die Luft nicht erwärmt werden. Die Mikrowellenheizung hat einen großen Vorteil gegenüber herkömmlichen Lebensmittelverarbeitungsmethoden. Die Garzeit wird um das Zehnfache verkürzt und beträgt bei den meisten Produkten nicht mehr als 5 Minuten. Geschmack und Aussehen der zubereiteten Produkte werden deutlich verbessert. Es muss daran erinnert werden, dass in einem Mikrowellengerät Geschirr aus Dielektrika verwendet wird, d.h. Glas, Porzellan, Kunststoffe und Keramik. Es ist strengstens verboten, Metallutensilien zu verwenden, weil. es deaktiviert den Generator dieses Geräts.

Das Konzept der Wärmeübertragung

Die Übertragung von Wärme von einem Medium auf ein anderes wird als Wärmeübertragung bezeichnet. Es gibt zwei Hauptarten der Wärmeübertragung: Kontakt und Strahlung. Wärmeaustausch durch Kontakt bedeutet, dass Wärme von einem stärker erhitzten Körper auf einen weniger erhitzten Körper direkt durch Kontakt übertragen wird. Die Wärmeübertragung durch Strahlung ist mit einer doppelten Energieumwandlung verbunden. Die Wärmeenergie einer heißeren Oberfläche wird zu Strahlungsenergie, die durch den Raum geht und auf eine kältere Oberfläche fällt, wird wieder zu Wärmeenergie. Solche Wärmeübertragungen treten beispielsweise bei Infrarotstrahlern oder beim Grillen auf dem Grill auf. Wärmeübertragung in Flüssigkeiten und Gasen nennt man Konvektion. Dies ist der Fall, wenn sich die unteren Schichten der Flüssigkeit erwärmen, aufsteigen, Wärme übertragen und die weniger erhitzten Schichten nach unten gehen, d.h. Es kommt zu einer Vermischung von erhitzten und nicht erhitzten Schichten.

Der Wärmeaustausch innerhalb von Körpern wird als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet. Wenn sich der Boden eines Metallgeschirrs erwärmt, erwärmen sich schnell auch seine Wände.Kochgeschirr und Geräte aus Dielektrika haben einen viel geringeren Wärmeleitkoeffizienten als Metallgeschirr.

Hitze und ihre Zusammensetzung

In der Technik ist Kraftstoff eine komplexe organische Verbindung, die bei der Verbrennung eine erhebliche Menge an Wärmeenergie freisetzen kann. Je nach Aggregatzustand wird der Brennstoff in fest, flüssig und gasförmig eingeteilt. Zu den festen Brennstoffen gehören Brennholz, Torf, Kohle und Schiefer. Zu den flüssigen Brennstoffen gehören - Öl und Produkte seiner Verarbeitung - Benzin, Kerosin, Heizöl und Heizöl. Gasförmige Brennstoffe umfassen natürliche und künstliche Gase. Die Zusammensetzung des Kraftstoffs umfasst brennbare und nicht brennbare Elemente. Brennbare Elemente umfassen - Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel. Zu den nicht brennbaren Elementen gehören Stickstoff, Asche und Feuchtigkeit. Sauerstoff ist kein brennbares Element, unterstützt aber den Prozess.

fester Brennstoff. Kohle - ist ein kalorienreicher Brennstoff, hat einen hohen Kohlenstoffgehalt, einen geringen Feuchtigkeitsgehalt und eine geringe Menge an flüchtigen Substanzen.

Brennholz wird aufgrund seines geringen Heizwertes als heimischer Brennstoff eingestuft. Die Ausbeute an flüchtigen Substanzen ist groß, was eine gute Brennbarkeit des Brennholzes ergibt. Der Aschegehalt von Holz ist unbedeutend.

Torf ist ein unvollständiger Abbau organischer Substanzen pflanzlichen Ursprungs mit einem Überschuss an Feuchtigkeit und sehr geringem Luftzutritt.

Ölschiefer ist ein [kalorienarmer Brennstoff, dessen Verwendung nach der Verarbeitung und in der Nähe von Bergbaustandorten empfohlen wird.

Flüssige Brennstoffe - Der Hauptbeitrag flüssiger Brennstoffe ist Heizöl, das aus der Ölraffination gewonnen wird. Es hat einen hohen Gehalt an Kohlenstoff und Wasserstoff. Wenn es verbrannt wird, hat es einen hohen Brennwert.

Gasförmiger Brennstoff - als Brennstoff werden natürliche brennbare und künstliche Becken verwendet, die alle anderen Arten in ihren Eigenschaften übertreffen. Erdgase werden aus Gasfeldern oder übrigens auch aus Ölfeldern gefördert. Zu den künstlichen Gasen zählen Hochöfen, Koks und Flüssiggas. Die Hauptvorteile von gasförmigen Brennstoffen sind: hohe Effizienz von Gasgeräten, die Möglichkeit, automatische Geräte zu verwenden, die das Wärmeregime regulieren und die Sicherheit beim Betrieb von Gaswärmegeräten gewährleisten. Die Verwendung von Gas verbessert die Produktionskultur, die sanitären und hygienischen Arbeitsbedingungen und beseitigt die Kontamination des Luftbeckens von Siedlungen mit Ruß und Rauch.

Gasbrennstoff hat auch negative Eigenschaften. In bestimmten Beziehungen mit Luft bildet es ein explosionsfähiges Gemisch. Das Gas ist giftig und daher führt ein unsachgemäßer Umgang mit dem Gas zu Unfällen.

Die bequemste und hygienischste Ausrüstung ist jedoch elektrisch beheizt. Derzeit werden mehr als 90 % aller thermischen Geräte in Gastronomiebetrieben mit Strom betrieben. Die Vorteile elektrischer Geräte im Vergleich zu Geräten mit anderen Wärmequellen sind: Wartungsfreundlichkeit, gute sanitäre und hygienische Arbeitsbedingungen und verringerte Brandgefahr. Die Möglichkeit, Geräte im Automatikmodus zu betreiben, und höhere Effizienz.

Das Konzept des Verbrennungsprozesses

Der Prozess der Kraftstoffverbrennung basiert auf der chemischen Reaktion der Verbindung von Sauerstoff in der Luft mit den brennbaren Bestandteilen des Kraftstoffs. Die Kraftstoffverbrennung ist der Prozess der schnellen Oxidation des brennbaren Teils des Kraftstoffs unter Freisetzung einer erheblichen Wärmemenge. Ein Teil der Wärme wird für die Aufrechterhaltung einer hohen Temperatur des Brennstoffs aufgewendet, ohne die eine Verbrennung nicht möglich ist. Eine Verbrennung des Kraftstoffs ist möglich, sofern ausreichend Luft zugeführt wird und der Kraftstoff auf die Zündtemperatur erhitzt wird. Die Kraftstoffverbrennung kann vollständig oder unvollständig sein. Bei unvollständiger Verbrennung entsteht Kohlenmonoxid und gleichzeitig wird nicht mehr als 1/3 der gesamten Wärmemenge freigesetzt, die bei vollständiger Verbrennung des Brennstoffs freigesetzt werden könnte. Bei vollständiger Verbrennung bildet Kohlenstoff Kohlendioxid, Wasserstoff wird zu Wasser und die größte Wärmemenge wird freigesetzt. Gas darf nur in Bewegung verbrannt werden. Wenn das Gas-Luft-Gemisch ruht, erfolgt die Verbrennung sofort in Form einer Explosion. Ein wichtiges qualitatives Merkmal von Kraftstoff ist sein Heizwert oder Brennwert - die Wärmemenge in kcal, die von einer Gewichts- (1 kg) oder Volumeneinheit (1 Kubikmeter) Kraftstoff bei vollständiger Verbrennung freigesetzt wird. Die Verbrennungswärme verschiedener Kraftstoffarten ist nicht gleich, daher wurde das Konzept des "bedingten Kraftstoffs" eingeführt, um verschiedene Kraftstoffarten zu vergleichen und das Problem des Ersatzes einer Kraftstoffart durch eine andere zu lösen. Mit "herkömmlichem Kraftstoff" ist ein solcher Kraftstoff gemeint, dessen Heizwert 7000 kcal/kg beträgt.

Maßnahmen zur Kraftstoffeinsparung

Die Wahl des sparsamsten Brennstoffs und des geeigneten thermischen Geräts zum Kochen ist eine der effektivsten Möglichkeiten, Kosten zu senken und zu billigeren Lebensmitteln beizutragen.

In allen Gewerden organisatorische und technische Maßnahmen zur Einsparung von Brennstoff, Wärme und Strom entwickelt. Die Hauptthemen der Veranstaltung zur Einsparung von Kraftstoff- und Energieressourcen sind:

Durchführung der Kontrolle über die rationelle und wirtschaftliche Nutzung von Brennstoff- und Energieressourcen und den Kontext jeder Ausrüstung des Unternehmens;

Systematische Kontrolle des technischen Zustands der Ausrüstung;

Rechtzeitiges Ein- und Ausschalten der Geräte unter Berücksichtigung der Unzulässigkeit ihrer Arbeit außerhalb der Arbeitszeit,

Durchführung einer systematischen Reinigung von Dampfgeneratoren, Behältern, ts neu, Rohren oder Spulen von Warmwasserbereitern von Kalkbildung;

Erhöhung der Belastung des Arbeitsvolumens der Ausrüstung während des Betriebs;

Indirekte Erwärmung ist die Übertragung von Brennstoff durch ein Zwischenmedium (Dampf-Wasser-Mantel des Kessels). Nach technologischem Zweck wird die thermische Ausrüstung in universelle (Elektroherd) und spezialisierte (Kaffeemaschine, Backschrank) unterteilt.

Je nach Wärmequelle werden thermische Geräte in Elektro, Gas, Feuer und Dampf unterteilt.

Thermische Geräte können auch nach dem Funktionsprinzip klassifiziert werden - kontinuierliche und periodische Wirkung.

Je nach Automatisierungsgrad werden thermische Geräte in nicht automatisierte, die von einem Servicemitarbeiter gesteuert werden, und automatisierte Geräte unterteilt, bei denen die Kontrolle über den sicheren Betrieb und den Wärmebehandlungsmodus vom thermischen Gerät selbst mit Hilfe von bereitgestellt wird Automatisierungsgeräte.

In Gastronomiebetrieben können thermische Geräte als nicht-sektionale oder sektionale, modulierte verwendet werden.

Nicht-Sektionsgeräte sind Geräte, die sich in Größe, Design und architektonischem Design unterscheiden. Solche Geräte sind nur für die individuelle Installation und den Betrieb damit bestimmt, ohne Verriegelung mit anderen Arten von Geräten. Nicht-Sektionsgeräte für ihre Installation erfordern erheblichen Produktionsraum, weil. Die Wartung solcher Geräte erfolgt von allen Seiten.

Derzeit beherrscht die Industrie die Serienproduktion von sektional modulierten Geräten, deren Einsatz in großen Gastronomiebetrieben ratsam ist. Der Vorteil der modulierten Sektionsausrüstung besteht darin, dass sie in Form von separaten Sektionen hergestellt wird, aus denen verschiedene technologische Linien vervollständigt werden können. Teilmodulierte Geräte haben einheitliche Abmessungen in Länge, Breite und Höhe. Solche Geräte werden linear um den Umfang oder in der Mitte des Raums installiert, und der installierte Abschnitt trägt zur Steigerung der Arbeitsproduktivität und der allgemeinen Kultur in der Produktion bei.

Für alle Arten von thermischen Geräten wurden GOSTs entwickelt und genehmigt, die für alle Anlagen und Unternehmen, die mit der Herstellung oder dem Betrieb von Geräten verbunden sind, obligatorisch sind.

GOST gibt die Details des Geräts an: den Namen des Geräts und seine Indizierung, Parameter, Anforderungen an Sicherheit, Sicherheit und Arbeitshygiene, Vollständigkeit sowie Anforderungen an Transport, Verpackung und Lagerung.

Alle thermischen Geräte haben eine alphanumerische Indizierung, deren Anfangsbuchstabe dem Namen der Gruppe entspricht, zu der dieses thermische Gerät gehört. Zum Beispiel: Kessel - K, Schrank - W,

Herd - P usw. Der zweite Buchstabe entspricht dem Namen des Gerätetyps: Lebensmittel - P, kontinuierliche Aktion - H usw. Der dritte Buchstabe entspricht dem Namen des Kühlmittels: elektrisch - E, Gas - G usw. Die Zahlen geben die Hauptparameter der thermischen Ausrüstung an. Zum Beispiel: KPP-160 - ein Kessel zum Kochen, Dampf, mit einem Fassungsvermögen von 160 Litern.