معادلات حالت در مبانی مهندسی حرارتی. مبانی نظری مهندسی حرارت - روسی. مبانی نظری مهندسی حرارت

8 مارس 2015، 07:44 ب.ظ

تا الان به صورت گذرا و در چهارچوب دیگر مباحث به مبحث مهندسی گرمایش در رابطه با ساخت و ساز مستقل پرداختم. انبوهی از مقاله ها و کتاب ها در این باره نوشته شده است، از جمله در اینترنت، با دریایی از فرمول ها و نمودارها، که ظاهراً خوانندگان را می ترساند. در نتیجه، توسعه دهندگان فردی در این زمینه متکبرانه ترین تصورات غلط را دارند.
بنابراین، بیایید از ابتدا با فیزیک شروع کنیم: هر جسم جامد با دو ویژگی حرارتی مورد علاقه ما مشخص می شود: ظرفیت گرمایی و هدایت حرارتی. رسانایی حرارتی توانایی یک ماده برای انتقال انرژی حرارتی از ناحیه ای گرم تر به ناحیه ای با حرارت کمتر است. در رابطه با سازه های محصور یک خانه، برای حفظ گرما، مطلوب است که به همان اندازه هدایت حرارتی کم. یک سوال جداگانه در مورد ضخامت. افزایش ضخامت منجر به افزایش متناسب در هزینه سازه می شود، اما نه به بهبود متناسب در عایق حرارتی. ضخامت بهینه معینی برای هر ماده و هر منطقه آب و هوایی وجود دارد.

ظرفیت حرارتی توانایی یک ماده برای جذب (انباشته شدن) و آزاد کردن گرما هنگام تغییر دما است. در اینجا همه چیز چندان ساده نیست؛ ظرفیت گرمایی بزرگ یا کوچک بسته به شرایط خاص می تواند یک مثبت و هم منفی باشد.

به طور خلاصه: یک ماده با رسانایی حرارتی کم یک عایق حرارتی است، یک ماده با ظرفیت گرمایی بالا یک انباشتگر حرارتی است.

بیایید مثالی بزنیم: خانه چوبی و آجری را از نظر مهندسی گرمایش مقایسه کنید. چوب رسانایی حرارتی پایینی دارد (یعنی عایق حرارت است) و ظرفیت حرارتی پایینی دارد. آجر همچنین یک عایق حرارت است، اما ظرفیت گرمایی زیادی دارد، یعنی به عنوان یک انباشته کننده حرارت نیز عمل می کند. یک خانه چوبی گرما را به خوبی حفظ می کند، اما به سرعت سرد می شود، در حالی که یک خانه آجری گرما را به خوبی و برای مدت طولانی حفظ می کند. اگر خانه به طور مداوم استفاده می شود ، آجری راحت تر است - گرما را طولانی تر نگه می دارد ، هنگام روشن شدن دوره ای اجاق گاز نوسانات دما را صاف می کند. اگر از خانه به عنوان یک کلبه تابستانی استفاده می شود - ما عصر جمعه به خانه ای بدون گرما وارد شدیم و بیایید آن را گرم کنیم، در اینجا ظرفیت حرارتی بالای دیوارهای آجری منفی خواهد بود. در این مورد، یک خانه چوبی در سرعت گرمایش مزیت دارد.

به طور جداگانه، ارزش در نظر گرفتن ساختارهای دیوار چند لایه را دارد. مثال: یک ساختمان بتنی باید با پلی استایرن منبسط شده یا صفحات پشم معدنی عایق بندی شود. بتن خود یک انباشته کننده حرارت خوب است، اما عایق حرارتی ضعیفی است. اگر مواد عایق حرارت در بیرون قرار گیرد، بتن به عنوان یک تجمع کننده گرما عمل می کند که برای یک خانه دائمی مفید است. اگر مواد عایق حرارت را در داخل قرار دهید، دیوارهای بتنی هیچ نقشی در ترمودینامیک اتاق ندارند - به سرعت گرم می شوند و به سرعت خنک می شوند.

مثال دیگر: برای اینکه یک خانه چوبی گرما را بیشتر نگه دارد، می توان آن را از داخل گچ کرد.

برای ساختارهای چند لایه، یک مشکل مهم سد بخار و "نقطه شبنم" مرتبط وجود دارد. به طور کلی، رطوبت می تواند در داخل سازه های ساختمان متراکم شود. بدون کاوش در طبیعت، نکته اینجاست که هوای داخل محل های مسکونی گرم شده همیشه مرطوب تر از بیرون است. بنابراین، سد بخار باید طبق اصل نزدیکتر به داخل واقع شود - متراکم تر، به خارج - نفوذپذیرتر.

این همه در یک کلام است تعاریف دقیق، واحدهای اندازه گیری، فرمول ها، مقادیر پارامترها مواد خاصو غیره در اینترنت موجود است.

بوخمیروف V.V. سخنرانی در TMDecember، 2008_part1_v8

آژانس فدرال برای آموزش

مؤسسه آموزش عالی دولتی

تحصیلات حرفه ای

"انرژی دولتی ایوانوفسکی

دانشگاه

به نام V.I. لنین"

گروه مبانی نظری مهندسی حرارت

مبانی نظری

مهندسین گرمایش

انتقال حرارت و جرم

سخنرانی ها

گردآوری شده توسط: استاد گروه TOT

V.V. بوخمیروف

ایوانوو 2008

معرفی

مهندسی حرارتی- علم (رشته فنی عمومی) در مورد روشها و روشهای بدست آوردن، تبدیل، انتقال و استفاده از حرارت و همچنین وسایل فنی که این روشها و روشها را اجرا می کنند.

مبانی نظری مهندسی حرارت- بخشی از مهندسی حرارتی که مبانی نظری آن را نشان می دهد.

رشته "مبانی نظری مهندسی حرارتی (TOT)" فرآیندهای حرارتی رخ داده در طبیعت و دستگاه های فنی را از طریق آنها مطالعه می کند. توصیف ریاضیو تحقیقات تجربی

دو اصل اساسی در فناوری وجود دارد راه های مختلفاستفاده از گرما: پر انرژیو تکنولوژیکی

در انرژیاز گرما برای تولید استفاده می شود کارهای مکانیکی، که یا مستقیماً برای به حرکت درآوردن مکانیزم ها استفاده می شود و یا تبدیل به کار برقی(انرژی الکتریکی) در ژنراتور الکتریکی.

در تکنولوژیکییا مستقیماز گرما برای ایجاد شرایطی برای فرآیندهای فناوری در دستگاه های فنی در صنایع مختلف، تغییر خواص فیزیکی اجسام با گرم کردن یا سرد کردن آنها، در زندگی روزمره و غیره استفاده می شود.

فرآیندهای تبدیل گرما به کار مکانیکی یا الکتریکی را مطالعه می کند ترمودینامیک فنی(TTD).

علم فرآیندهای استفاده مستقیم از گرما را مطالعه می کند. تبادل حرارتیا انتقال حرارت. از آنجایی که فرآیندهای انتقال حرارت می توانند همزمان با انتقال جرم رخ دهند و قوانین انتقال گرما و جرم مشابه هستند، مطالعه آنها در یک رشته ترکیب می شود. انتقال حرارت و جرم (TMO).

بنابراین، رشته "مبانی نظری مهندسی حرارتی" از دو بخش مکمل تشکیل شده است: TTD و TMO.

هنگام مطالعه هر رشته فنی، عمدتاً از دو روش تحقیق استفاده می شود: پدیدارشناختیو آماری.

با پیروی از روش پدیدارشناختی، محیطی که در آن فرآیندهای فیزیکی اتفاق می‌افتد به صورت یک ماده پیوسته بدون در نظر گرفتن ساختار درونی آن نمایش داده می‌شود. برای توصیف همه فرآیندها استفاده کنید ماکروفیزیکیمقادیری که معمولاً می توان اندازه گیری کرد (دما، فشار، حجم) یا محاسبه کرد (انرژی داخلی، آنتالپی، آنتروپی).

نظریه آماری در نظر گرفته است ساختار داخلیمواد و مفاهیم استفاده می کند میکروفیزیکیطبیعت (جرم یک مولکول، تعداد مولکول ها و غیره). این نظریه از روش های آمار ریاضی و روش های نظریه احتمال استفاده می کند.

در ترمودینامیک فنی از هر دو روش تحقیق آماری و پدیدارشناسی استفاده می شود. هنگام مطالعه فرآیندهای انتقال گرما و جرم، عمدتاً از روش تحقیق پدیدارشناسی استفاده می شود.

انتقال حرارت و جرم

انتقال حرارت و جرم (HMT)- علم از خود به خود برگشت ناپذیرفرآیندهای انتشار گرما و جرم در فضا در یک میدان دمای متناوب و یک میدان غلظت متناوب.

طبق قانون دوم ترمودینامیک، فرآیند خود به خودی انتقال گرما و جرم به سمت کاهش دما و غلظت یک جزء معین از مخلوط هدایت می شود.

برخلاف ترمودینامیک، TMT توسعه فرآیندها را در فضا و زمان در نظر می گیرد. در نتیجه محاسبه فرآیندهای انتقال گرما و جرم، توزیع دما، غلظت اجزای مخلوط، و همچنین جریان گرما و جرم به عنوان تابعی از مختصات و زمان یافت می‌شود.

در دوره کوتاه خود ما فقط فرآیندهای انتقال حرارت را در نظر خواهیم گرفت این بدنیا سیستمی از اجسام، بنابراین وظیفه ما یادگیری محاسبه است میدان های دما و جریان های گرماو توسعه آنها در مکان و زمان.

بخش 1. مفاهیم اساسی انتقال حرارت

§ 1.1. میدان دما سطح ایزوترمال

میدان دمامجموعه ای از مقادیر دما در تمام نقاط یک حوزه محاسباتی معین و در طول زمان است.

میدان دما بر حسب درجه سانتیگراد و کلوین اندازه‌گیری می‌شود و به همان روشی که در TTD تعیین می‌شود، مشخص می‌شود. τ – زمان فرآیند تبادل حرارت بر حسب ثانیه، [s]. که میدان دما با تعداد مختصات و رفتار آن در طول زمان مشخص می شود.

در محاسبات حرارتی استفاده می کنند سیستم های زیرمختصات:

x i = x 1، x 2، x 3 - سیستم مختصات متعامد دلخواه.

x i = x، y، z - سیستم مختصات دکارتی.

x i = r، φ، z - سیستم مختصات استوانه ای.

x i = r، φ، ψ – سیستم مختصات کروی.

بسته به تعداد مختصاتی که وجود دارد سه بعدی, دو بعدی, یک بعدیو صفر بعدی (همگن) زمینه های دما

میدان دما، که تغییر می کندبه موقع، تماس گرفت غیر ثابتمیدان دما و بالعکس، میدان دما، که تغییر نمی کندبه موقع، تماس گرفت ثابتمیدان دما

نمونه هایی از ثبت فیلدهای دما:

T(x,y,z,τ) - میدان دمایی غیر ثابت سه بعدی.

T(τ) - میدان دمایی غیر ثابت صفر بعدی.

T(x) - میدان دمایی یک بعدی ثابت؛

T = const - میدان دمای ثابت صفر بعدی - یک مورد خاص از میدان دما که تعادل ترمودینامیکی سیستم را مشخص می کند.

سطح ایزوترمال- سطح با درجه حرارت مساوی

خواص سطوح همدما:

الف) سطوح همدما تلاقی نمی کنند.

ب) در فرآیندهای غیر ساکن، سطوح همدما در فضا حرکت می کنند.

در دوره ما بدنه هایی به اصطلاح ساده یا کلاسیک را در نظر خواهیم گرفت. این سه بدن وجود دارد:

صفحه بی پایان یا نامحدود صفحه ای است که ضخامت آن بسیار کمتر (چند برابر) از طول و عرض آن باشد.

استوانه بی نهایت استوانه ای است که قطر آن (چند برابر) از طول استوانه کوچکتر است.

توپ یا کره.

نمونه هایی از سطوح همدما در بدنه هایی با شکل ساده:

) سطوح همدما در یک صفحه بی نهایت تحت شرایط انتقال حرارت یکسان در هر دو سطح صفحه هستند به موازات ژنراتورهاصفحات این صفحه (نگاه کنید به شکل 1).

ب) سطوح همدما در یک استوانه بی نهایت تحت شرایط انتقال حرارت یکسان در کل سطح آن - سطوح استوانه ای کواکسیال (کواکسیال) یا به عبارت دیگر، استوانه هایی با قطر کمتر تو در تو در داخل یکدیگر (نگاه کنید به شکل 2).

برنج. 1.1. سطوح ایزوترمال

در بشقاب بی پایان

برنج. 1.2. سطوح همدما در یک استوانه بی نهایت

ج) در یک توپ با گرمایش یا سرمایش یکنواخت، سطوح همدما کره هایی هستند که درون یکدیگر قرار گرفته اند.

§ 1. 2. گرادیان دما

گرادیان دما(با درجه T یا نشان داده می شود
) یک بردار است که به طور عادی به سطح همدما، در جهت افزایش دما و از نظر عددی برابر با تغییر دما در واحد طول است:

یا
,

جایی که n نرمال است. - بردار واحد؛ - عملگر همیلتون ("nabla") - یک بردار نمادین که جایگزین نماد گرادیان می شود.

در سیستم مختصات دکارتی:

,

جایی که
- بردارهای واحد یا بردارهای واحد در سیستم مختصات دکارتی.

§ 1.3. مقدار گرما. جریان دما.

جریان های حرارتی خاص

مقدار گرما- مقدار انرژی حرارتی دریافت یا منتشر شده توسط یک جسم (جامد، مایع یا گاز) یا عبور از این جسم در یک دوره زمانی معین. τ در نتیجه تبادل حرارت

میزان گرما را مشخص کنید و با ژول [J] یا کالری [cal] اندازه گیری می شود:

1 کالری = 4.187 J، 1 J = 0.24 کالری.

در عین حال، برای تجزیه و تحلیل فرآیندها، اغلب از واحدهای اندازه گیری که مضرب ژول و کالری هستند استفاده می شود:

1 کیلوژول = 10 3 ژول؛ 1 مگا ژول = 10 6 ژول؛ 1 GJ = 10 9 J; 1 TJ = = 10 12 J.

جریان دما(مشخص کن ) – مقدار گرمایی که از یک سطح معین در جهت انتشار گرما نرمال عبور می کند در واحد زمان:

.

در حالت تبادل حرارتی ثابت، جریان گرما در طول زمان تغییر نمی کند و با فرمول محاسبه می شود:

، سه شنبه

در سیستم قدیمی واحدها، جریان گرما بر حسب اندازه گیری می شود
:
سه شنبه

سه نوع جریان حرارتی ویژه در محاسبات استفاده می شود:

آ) چگالی شار حرارتی سطحی(با: q، W/m2 مشخص می شود) - جریان گرما مربوط به سطح بدن.

ب) ل چگالی شار حرارتی خطی(مشخص کن: W/m) – شار حرارتی مربوط به طول بدنه کشیده.

ج) o چگالی شار حرارتی حجمی(با نشان داده شده با: q v، W/m 3) - جریان گرما مربوط به حجم بدن است.

چگالی شار حرارتی سطحی– مقدار گرمای عبوری از جهت انتشار حرارت معین و نرمال تنهاسایت در واحد زمان

, W/m 2 ,

بردار واحد کجاست. τ – زمان، s; F – مساحت، متر مربع.

در حالت انتقال حرارت ثابت و تحت شرایط انتقال حرارت یکسان در کل سطح بدن:

چگالی شار حرارتی خطی -جریان گرمایی که از آن عبور می کند سطح جانبی تنهاطول برخی از بدنه های کشیده، دلخواه، اما ثابت در طول مقطع. در حالت انتقال حرارت ثابت و تحت شرایط انتقال حرارت یکسان در کل سطح بدن:

، از آنجا نتیجه می گیرد که

جایی که τ – زمان، s; - طول یک جسم کشیده، متر.

چگالی شار حرارتی سطحی و چگالی شار حرارتی خطی با رابطه زیر با یکدیگر مرتبط هستند:

یا
,

جی de P محیط یک جسم گسترده با مقطع دلخواه اما ثابت است.

به عنوان مثال، برای لوله ای با قطر d، محیط برابر با محیط (
) و فرمول اتصال q و شکل می گیرد

.

چگالی شار حرارتی حجمی- مقدار گرمایی که در داخل آزاد می شود یا جذب می شود حجم واحدبدن Vواحد زمان. در حالت ایستا تبادل حرارت و با توجه به توزیع یکنواخت منابع داخلی (سینک) گرما در حجم بدن:

از آنجا به دنبال دارد
و
.

چگالی شار حرارتی حجمی q vدر محاسبات زیر از انتشار گرما یا جذب گرما استفاده می شود:

در یک راکتور هسته ای

هنگامی که جریان الکتریکی از یک هادی با مقاومت بالا عبور می کند.

اصطکاک داخلی در جریان سیال؛

در طی واکنش های شیمیایی

اندازه q vمی تواند مثبت باشد (گرما آزاد می شود) یا منفی (گرما جذب می شود).

§ 1.4. روشهای اولیه انتقال حرارت

(انواع فرآیندهای انتقال حرارت)

سه روش اصلی برای انتقال حرارت وجود دارد:

هدایت حرارتی (رسانایی)؛

همرفت؛

تابش حرارتی(انتقال حرارت تشعشعی).

رسانایی گرمایی (هدایت) - روشی برای انتقال حرارت به دلیل برهمکنش ریز ذرات بدن (اتم ها، مولکول ها، یون ها در الکترولیت ها و الکترون ها در فلزات) در یک میدان دمای متناوب.

هدایت حرارتی در جامدات، مایعات و گازها اتفاق می افتد. در جامدات، هدایت تنها راه انتقال گرما است. در خلاء رسانایی حرارتی وجود ندارد.

همرفت- روشی برای انتقال حرارت با جابجایی ماکرو حجم های یک محیط از ناحیه ای با یک دما به ناحیه ای با دمای دیگر. در این حالت، یک محیط سیال (سیال) با دمای بالاتر به ناحیه ای با دمای پایین تر و یک سیال سرد به منطقه ای با دمای بالا حرکت می کند. در خلاء، انتقال حرارت غیرممکن است.

تابش حرارتی (انتقال حرارت تشعشعی)- روشی برای انتقال حرارت به دلیل انتشار امواج الکترومغناطیسی در محدوده فرکانسی مشخص.

یادداشت:

همه اجسام بالاتر از 0 K تابش حرارتی خود را دارند، یعنی همه اجسام انرژی ساطع می کنند.

برای انتقال گرما توسط تشعشع، به یک جسم واسطه نیازی نیست، یعنی. انرژی تابشی می تواند در خلاء نیز منتقل شود.

§ 1.5. انتقال حرارت پیچیده اتلاف حرارت و انتقال حرارت

در طبیعت و در دستگاه های فنی، به عنوان یک قاعده، هر سه روش انتقال حرارت به طور همزمان اتفاق می افتد. این تبادل حرارتی نامیده می شود تبادل حرارت پیچیده.

به عنوان مثال، جابجایی گرما همیشه همراه با هدایت حرارتی رخ می دهد، زیرا حجم های ماکرو سیال از ریزحجم ها تشکیل شده است و یک میدان دمایی ناهموار فضایی وجود دارد. انتقال گرما از طریق رسانش و همرفت با هم نامیده می شود تبادل حرارتی همرفتی.

انتقال ترکیبی گرما توسط تابش و رسانش نامیده می شود تبادل حرارت رسانایی تابشی.

انتقال ترکیبی گرما توسط تابش و همرفت نامیده می شود تبادل حرارتی تابشی-همرفتی.

در طبیعت و فناوری، دو نوع زیر از انتقال حرارت پیچیده بیشتر دیده می شود:

- انتقال حرارت- فرآیند تبادل حرارت بین غیر قابل نفوذ دیوار سختو مایع اطراف

- انتقال حرارت- انتقال گرما از یک سیال به سیال دیگر از طریق یک دیواره جامد غیر قابل نفوذ.

اتلاف حرارت.نمودار میدان دما در انتقال حرارتدر شکل نشان داده شده است. 3. دمای سیال در ناحیه بسیار باریکی که به آن می گویند متفاوت است لایه مرزی حرارتی.

برنج. 1.3. طرح فرآیند انتقال حرارت: Tw - دمای دیوار. Tf - دمای سیال؛ δ q - ضخامت لایه مرزی حرارتی.

توجه داشته باشید که بسته به نسبت دمای دیوار Tw و سیال T f، جریان حرارتی Q می تواند دیوار را تحت شرایط گرم کند.
یا سردش کن اگه
.

فرآیند انتقال حرارت را می توان با ترکیبی از فرآیندهای اولیه انتقال حرارت زیر انجام داد:

- انتقال حرارت همرفتی (همرفت + رسانایی حرارتی = انتقال حرارت همرفتی) - هنگامی رخ می دهد که سطوح جامد با اشکال مختلف با یک محیط سیال (مایع قطرات شفاف تابشی) شسته شوند.

- تابناکیا انتقال حرارت تابشی(تابش حرارتی) - زمانی رخ می دهد که تبادل حرارت تشعشعدر خلاء یا بین دیوار و تابش و جذب بی حرکتگاز؛

- انتقال حرارت تابشی-همرفتی(تابش حرارتی + انتقال حرارت همرفتی) - رایج ترین مورد انتقال حرارت پیچیده در عمل محاسبات.

- انتقال حرارت همرفتی در طول تبدیل فاز مایع خنک کننده(همرفت + رسانایی حرارتی + تشعشع احتمالی) - انتقال حرارت در طول تراکم و جوش، که با آزاد شدن یا جذب گرمای انتقال فاز اتفاق می‌افتد.

محاسبه انتقال حرارتشامل تعیین جریان حرارتی مبادله شده بین دیوار و سیال است. در محاسبات مهندسی انتقال حرارت از قانون به اصطلاح انتقال حرارت استفاده می شود - قانون نیوتن (1701):

,

که در آن Q جریان گرما است، W; – ضریب انتقال حرارت، W/(m 2 K)؛ T f و Tw - دمای سیال و دیواره. F - سطح تبادل حرارت.

انتقال حرارت.در دوره TMO محاسبات را مطالعه می کنند انتقال حرارتاز طریق دیوارهای مسطح، استوانه ای، کروی و دلخواه. در دوره کوتاه خود، ما خود را به محاسبه انتقال حرارت از طریق دیوارهای مسطح و استوانه ای محدود می کنیم. نمودار میدان دما در انتقال حرارتاز طریق یک دیوار صاف در شکل نشان داده شده است. 4.

برنج. 1.4. طرح فرآیند انتقال حرارت: Tf,1 و Tf,2 – دمای سیال سرد و گرم (سیال). Tw ,1 و Tw ,1 – دمای سطح دیوار صاف; δ ضخامت دیواره صاف است.

بنابراین ، انتقال حرارتشامل فرآیندهای زیر است:

آ) انتقال حرارتاز سیال داغ (مایع خنک کننده داغ) به دیوار.

ب) رسانایی گرماییداخل دیوار؛

V) انتقال حرارتاز دیوار به سیال سرد (خنک کننده سرد).

جریان گرما در انتقال حرارت، که از یک سیال گرم با دمای Tf,1 به یک سیال سرد با دمای Tf,2 منتقل می شود، با فرمول (برای یک دیوار صاف) محاسبه می شود:

,

جایی که
- ضریب انتقال حرارت از طریق یک دیوار مسطح، W/(m 2 K)؛ Rt - مقاومت حرارتی در برابر هدایت حرارتی یک دیوار صاف، (m2 K)/W..

در پایان بخش اول دوره، می‌توان نتیجه گرفت که برای حل مشکل اصلی محاسبه انتقال حرارت - تعیین میدان‌های دما و جریان‌های حرارتی در حین انتقال حرارت و انتقال حرارت - لازم است بتوانیم سه عدد را محاسبه کنیم. ابتداییروش انتقال انرژی حرارتی

بخش 2. هدایت حرارتی

§ 2.1. قانون اساسی تئوری هدایت حرارتی.

قانون فوریه (فرضیه).

در سال 1807، دانشمند فرانسوی فوریه پیشنهاد کرد که در هر نقطه از بدن (ماده) در فرآیند هدایت حرارتی یک رابطه واضح بین جریان گرما و گرادیان دما وجود دارد:

, (*)

که در آن Q جریان گرما است، W; grad (T) - گرادیان میدان دما، K/m. F – مساحت سطح تبادل حرارت، متر مربع؛ , – ضریب هدایت حرارتی ,
- کمیتی که خصوصیات فیزیکی یک ماده را مشخص می کند. ضریب هدایت حرارتی به صورت تجربی تعیین شده و در ادبیات مرجع ارائه شده است.

قانون فوریه برای چگالی شار حرارتی سطحی به شکل نوشته خواهد شد

. (**)

معنای فیزیکی ضریب هدایت حرارتیآیا او ( λ ) توانایی یک ماده معین برای هدایت گرما را مشخص می کند.

ضریب هدایت حرارتی λ به طور تجربی با استفاده از عبارات (*) و (**) با حل مسئله به اصطلاح معکوس نظریه هدایت حرارتی یافت می شود.

علامت "-" نشان می دهد که بردارهای جریان گرما و گرادیان دما به سمت آن هدایت می شوند طرف مقابل. گرادیان میدان دما در جهت افزایش دما به سمت سطح همدما هدایت می شود، جریان گرما در جهت کاهش دما هدایت می شود. عبارات (*) و (**) بیانگر قانون خطی هدایت حرارتی هستند، زیرا در این قانون، ضریب هدایت حرارتی یک مقدار ثابت است (λ = const). هنگام آزمایش آزمایشی قانون فوریه، یک انحراف از محاسبه و آزمایش کشف می شود که در تقریب اول می توان با حفظ شکل نوشتن قانون، اما با پذیرش وابستگی λ = f(T) آن را در نظر گرفت. در این مورد، قانون فوریه غیرخطی را به دست می آوریم:

.

برای مواد مختلف و آنها حالت فاز λ می تواند با افزایش دما افزایش یا کاهش یابد. برای مواد متخلخل و حجیم، ضریب هدایت حرارتی λ همچنین به تخلخل (اندازه منافذ) و رطوبت بستگی دارد. با افزایش تخلخل λ کاهش می یابد، زیرا منافذ با گاز پر می شوند، و λ گازها کم است با افزایش رطوبت، منافذ با رطوبت پر می شوند و ضریب هدایت حرارتی λ افزایش. ناخالصی ها ضریب هدایت حرارتی را کاهش می دهند. ضریب هدایت حرارتی گازها نیز به فشار بستگی دارد.

اجازه دهید مقادیر تقریبی ضریب را ارائه دهیم λ مواد مختلف از آنجا که λ تابع دما، سپس این داده ها از کتاب مرجع در t = 0 0 C گرفته می شود.

§2.2. شکل انرژی ثبت قانون فوریه.

ضریب انتشار حرارتی آ، [m 2 /s] - یک ویژگی فیزیکی یک ماده است که به طور تجربی تعیین می شود و در جداول مرجع آورده شده است.

ضریب انتشار حرارتی آ، مشخص می کند خواص اینرسی حرارتی مادهیا به عبارت دیگر مشخص می کند سرعت تغییر دمای بدن در طول زمان. میزان تغییر دما ~ آ، با ضریب نفوذ حرارتی نسبت مستقیم دارد. که ضریب نفوذ حرارتی فقط فرآیندهای غیر ثابت را مشخص می کند.

ضریب نفوذ حرارتی مربوط به دیگر است خصوصیات فیزیکیمواد در نسبت های زیر:

;
,

جایی که با- ظرفیت گرمایی جرم ویژه، J/(کیلوگرم درجه)؛ - ظرفیت گرمایی حجمی خاص، J/(m 3 deg)؛ ρ - چگالی، کیلوگرم بر متر مکعب؛ λ – ضریب هدایت حرارتی W/(m deg)؛.

برای جامدات با ضریب انبساط حرارتی پایین
.

برای گازهایی که ظرفیت حرارتی آنها به نوع فرآیند بستگی دارد، طبیعتاً ضریب انتشار حرارتی تابعی از فرآیند است:

برای یک فرآیند ایزوکوریک v= پایان:
;

برای فرآیند ایزوباریک پ= پایان:
.

مرتبه بزرگی ضریب نفوذ حرارتی را می توان با مقادیر زیر مشخص کرد:

آ≈ 10 -7 متر مربع در ثانیه - برای عایق حرارتی؛

آ≈ 10 -6 m 2 / s - برای دیرگدازها.

آ≈ 10 -5 متر مربع در ثانیه - برای فولاد.

برای نمایش قانون فوریه به شکل انرژی، اجازه دهید جایگزین کنیم λ در شکل کلاسیک نوشتن قانون هدایت حرارتی توسط بیان

یا
.

- برای فرآیندهای ایزوکوریک،

جایی که – انرژی داخلی حجمی خاص، J/m 3؛

- برای فرآیندهای ایزوباریک،

جایی که
- آنتالپی حجمی خاص، J/m 3.

برای جامدات، شکل انرژی نوشتن قانون فوریه به شکل زیر است:

§2.3. معادله دیفرانسیل هدایت حرارتی.

(معادله دیفرانسیل فوریه)

اگر جسمی را، برای مثال، یک صفحه بی نهایت با ضخامت δ و دمای اولیه T 0 در یک محیط گرم با دمای T f قرار دهید (شکل 1.1)، سپس صفحه، انرژی را از محیط گرمگرم می شود و دمای آن در طول زمان در هر نقطه تغییر می کند.

برنج. 2.1. حرارت دادن صفحه در محیطی با دمای T f

میدان دما
، یعنی توزیع دما در فضا و زمان با حل معادله دیفرانسیل (DE) رسانایی گرمایی که توسط دانشمند فرانسوی فوریه در سال 1814 استخراج شد و به همین دلیل این معادله نام او را یدک می‌کشد، به دست می‌آید. استخراج معادله هدایت حرارتی بر اساس قانون بقای انرژی است و از قانون فوریه استفاده می کند. معادله فوریه فرآیندهایی را که در طول رسانش حرارتی در هر حجم ابتدایی بدن رخ می دهد، مدل می کند:

1) جذب انرژی حرارتی در حین گرمایش یا آزاد شدن در هنگام سرمایش.

2) عبور گرما از یک حجم اولیه در حال انتقال.

3) آزاد شدن یا جذب گرما در اثر عملکرد منابع داخلی یا هیت سینک با توان q v.

در شکل برداری، معادله حرارت دیفرانسیل به شکل زیر است:

,

جایی که
- ظرفیت حرارتی حجمی ویژه، J/(m3 K)؛ – چگالی، کیلوگرم بر متر مکعب؛ با- ظرفیت گرمایی جرم ویژه، J/(kgK).

به یاد بیاورید که برای جامدات
.

با حل این معادله، میدان دما را بدست می آوریم: T(x i, ). که معادله حرارت دیفرانسیل ایجاد می کند رابطه بین تغییرات مکانی و زمانیدرجه حرارت.

شکل فرمول عملگرهای واگرایی (div) و گرادیان (grad) به انتخاب سیستم مختصات بستگی دارد. به عنوان مثال، در یک سیستم مختصات دکارتی، معادله هدایت حرارتی به شکل زیر خواهد بود:

یا پذیرش این فرض که خواص فیزیکی یک ماده مستقل از دما است (
}

,

جایی که
– ضریب نفوذ حرارتی، m2/s.

در دوره کوتاه TMT ما معادله دیفرانسیل فوریه را برای اجسام حل خواهیم کرد ساده ترین شکل(صفحه بی نهایت، استوانه و توپ یا کره بی نهایت) با ضرایب فیزیکی ثابت:

,

جایی که ایکس 1 – ابتدا هماهنگی در سیستم متعامدمختصات : ایکس 1 = ایکسدر یک سیستم مختصات دکارتی، ایکس 1 = rبه صورت استوانه ای و سیستم های کرویمختصات k = 1، 2 یا 3 - ضریب شکل بدن : k = 1 - صفحه بی نهایت. k = 2 - سیلندر بی نهایت. k = 3 - توپ.

در صورت عدم وجود منابع گرمایی داخلی در سیستم (q v = 0)، معادلات دیفرانسیل فوریه برای اجسام با ساده ترین شکل به صورت زیر نوشته می شود:

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

در شرایط ثابت تبادل حرارت (دمای ثابت مایعی که بدن را از طرف‌های مختلف می‌شوید و ضرایب انتقال حرارت ثابت) در مرزهای جسم، میدان دمایی آن از یک نقطه زمانی خاص تغییر در زمان متوقف می‌شود و شروع می‌شود. ثابترژیم هدایت حرارتی، که برای اجسام با ساده ترین شکل با معادله پواسون تحت عمل منابع حرارتی داخلی توصیف می شود.

,

یا معادله لاپلاس اگر q v = 0 باشد

.

در نتیجه حل معادله دیفرانسیل یک بعدی برای فرآیند ثابت هدایت گرما، میدان دما به شکل T(x1) یا به صورت صریح T(x) - در سیستم مختصات دکارتی و T(r) یافت می شود. ) - در سیستم مختصات استوانه ای و کروی.

§2.4. شرایط عدم ابهام،

برای حل معادله فوریه ضروری است

معادله هدایت حرارتی راه حل های بی شماری دارد. برای جداسازی یک راه حل منحصر به فرد برای این معادله، مربوط به یک پدیده واحد هدایت حرارتی، پارامترهای زیر باید مشخص شوند:

1. ابعاد هندسیو فرم بدن و همچنین زمان τ برای یک فرآیند غیر ثابت توجه داشته باشید که با توجه به برخی می توان زمان فرآیند را به طور ضمنی مشخص کرد شرط اضافیمثلاً بدن را گرم یا سرد می کند تا به آن برسد تعادل گرماییبا محیط زیست؛

2. خواص فیزیکی ماده (ضریب هدایت حرارتی λ ظرفیت حرارتی حجمی خاص با"(یا ظرفیت گرمایی جرم خاص با)، تراکم ρ ضریب انتشار حرارتی آ);

3. قانون توزیع منابع حرارتی داخلی q v (ایکس من , τ) . در یک مورد خاص
;

4. شرایط مرزی (BC) مشخص شده است اولیهتوزیع دما در یک حوزه محاسباتی معین (CA) و شرایط انتقال حرارت در مرز این دامنه (CU).

§2.4.1. شرایط اولیه(خوب)

قبل از شروع محاسبه فرآیند غیر ثابتهدایت حرارتی به اطلاعاتی در مورد توزیع دما در حجم بدن در یک نقطه خاص از زمان نیاز دارد که به عنوان مبدأ یا ابتداییلحظه در زمان (زمان τ = 0). بنابراین، تابع باید مشخص شود

یا
,

جایی که - دستگاه مختصات.

در مورد خاص یک بعدی و به طور یکنواخت در حجم بدن توزیع شده است، میدان دمای اولیه NU به شکل زیر است:

T (x، 0) = T 0 = ثابت.

توجه داشته باشید که برای مشکلات هدایت حرارتی ثابت، تعیین شرایط اولیه معنی ندارد.

§2.4.2. شرایط مرزی (پیش از میلاد)

در محاسبات انتقال حرارت از چهار نوع شرایط مرزی استفاده می شود که به آنها جنس می گویند. شرایط مرزی برای انتقال حرارت باید هم در سطح بیرونی بدنه (شرایط مرزی خارجی) و هم زمانی که مرز حوزه محاسباتی در داخل بدنه قرار دارد، در سطح داخلی (شرایط مرزی داخلی) مشخص شود. شرایط مرزی نوع اول و دوم می تواند هم خارجی و هم داخلی باشد، شرایط مرزی از نوع سوم - فقط شرایط مرزی خارجی، شرایط مرزی از نوع چهارم - فقط شرایط مرزی داخلی.

شرایط مرزی از نوع اول

در مرز شرایط من به نوعیمقدار دما را در مرز دامنه محاسباتی تنظیم کنید:

,

شاخص کجاست wبه معنای "مرز"؛
- مختصات مرز دامنه محاسباتی داده شده. در یک مورد خاص، این دما، پس از تغییر لحظه ای به دمای Tw، می تواند در طول زمان ثابت بماند و در امتداد مرز تغییر نکند:

.

شرایط مرزی از نوع دوم

در شرایط مرزی II به نوعیمقدار چگالی شار حرارتی را در مرز حوزه محاسباتی تنظیم کنید:

,

شاخص کجاست wبه معنای "مرز"؛ - مختصات مرز دامنه محاسباتی داده شده.

با در نظر گرفتن قانون فوریه، حالت نوع II را می توان به صورت زیر نوشت:

,

جایی که n- مختصات به طور عادی به مرز حوزه محاسباتی هدایت می شود.

در یک مورد خاص، چگالی شار حرارتی q wممکن است در امتداد مرز دامنه محاسباتی تغییر نکند و در زمان ثابت باشد:

.

شرایط مرزی از نوع سوم

تحت شرایط مرزی III به نوعیدمای محیط را تنظیم کنید، اطراف بدنو قانون تبادل حرارت بین محیط و سطح بدن. شرایط مرزی نوع سوم عمومی ترین و پرکاربردترین شرایط مرزی در عمل محاسبه هستند. قانون انتقال حرارت بین محیط اطراف یک جسم و سطح بدن اغلب در محاسبات مهندسی به عنوان قانون انتقال حرارت - قانون نیوتن استفاده می شود.

جایی که – ضریب انتقال حرارت (به یاد داشته باشید که در مورد کلیانتقال حرارت توسط همرفت و تشعشع اتفاق می افتد). T f – دمای سیال؛ T w - دمای سطح بدن.

با در نظر گرفتن قانون فوریه، حالتی از نوع سوم را می توان به صورت زیر نوشت

,

که در آن علامت + یا – در قانون فوریه به انتخاب مبدأ سیستم مختصات بستگی دارد.

در محاسبات رسانایی گرمایی، از شکل بدون بعد شرایط مرزی نوع سوم استفاده می شود

، جایی که
- دمای بدون بعد؛
- مختصات بدون بعد، عمود بر سطحتبادل حرارتی؛ R - مشخصه یا تعیین اندازه بدن.
– معیار بیوت؛ λ w ضریب هدایت حرارتی جامد است.

معیار زیستی – تعریف کردنمعیار در مسائل هدایت حرارتی، به عنوان مثال. شدت فرآیند هدایت حرارتی به مقدار آن بستگی دارد. معنای فیزیکی معیار Biot را می توان با نوشتن فرمول آن در فرم آشکار کرد

,

به عنوان مثال، معیار Bio مشخص می کند:

الف) نسبت شدت انتقال حرارت خارجی () به شدت انتقال حرارت داخلی (/R).

ب) نسبت مقاومت حرارتی هدایت حرارتی (R/) به مقاومت حرارتی انتقال حرارت همرفتی (1/).

شرایط مرزی از نوع چهارم

شرایط مرزی نوع چهارم شرایط تبادل حرارت را در مرز تماس ایده آل دو جسم متشکل از مواد مختلف با خواص فیزیکی متفاوت تعیین می کند. در این حالت، در ناحیه تماس ایده آل، هر دو جسم دارای دما و جریان گرما برابر هستند

، یا با استفاده از قانون فوریه
.

§2.5. روش‌های حل مسائل مقدار مرزی در تئوری هدایت گرما

تمام روش های حل مسئله مقدار مرزی نظریه هدایت گرما را می توان به دو گروه بزرگ تقسیم کرد. گروه اول شامل روش هایی است که از ابزارهای نوین آنالیز ریاضی، ریاضیات محاسباتی و فناوری رایانه، به همین دلیل نامیده می شوند نظریمواد و روش ها. گروه دوم شامل روش هایی است که در آنها میدان دما در نتیجه یک آزمایش پیدا می شود. به همین دلیل به آنها روش های تجربی می گویند.

روش های تجربی به روش های نظریه تشابه و روش های قیاس تقسیم می شوند. با استفاده از روش تئوری شباهت، میدان دما به صورت تجربی بر روی مدلی یافت می‌شود که در آن همان فرآیند تحقق می‌یابد. طبیعت فیزیکی، همانطور که در شی مدل سازی است. با استفاده از روش قیاس‌ها، مطالعه فرآیند هدایت حرارتی با مطالعه فرآیندی با ماهیت فیزیکی متفاوت جایگزین می‌شود که به طور مشابه با فرآیند هدایت حرارتی پیش می‌رود. این قیاس در معادلات انتقال دیفرانسیل که به صورت نوشتاری یکسان هستند و به پدیده‌های فیزیکی مختلف مربوط می‌شوند، آشکار می‌شود.

روش های نظری را می توان به روش های تحلیلی، عددی و عددی-تحلیلی تقسیم کرد.

هنگام استفاده از روش های تحلیلی، راه حل به صورت یک فرمول محدود یا یک سری نامتناهی به دست می آید. روشهای تحلیلی دقیق (روش جداسازی متغیرها یا روش فوریه، روش) وجود دارد تحولات انتگرالی، روش نگاشتهای منسجم و غیره) و روش های تحلیلی تقریبی (اشکال مختلف روش های تغییرات، روش جایگزینی و غیره). روش های تحلیلی دقیق را فقط می توان به کار برد مسائل خطینظریه هدایت حرارتی

هنگام استفاده از روش های عددی، راه حل مسئله به صورت مجموعه ای از مقادیر دما در نقاط گسسته در فضا در لحظات گسسته از زمان به دست می آید. در حال حاضر متداول‌ترین روش‌ها برای حل مسائل انتقال حرارت، روش مش و روش اجزای محدود است.

روش هایی که از راه حل های تحلیلی برای به دست آوردن مقادیر دما در نقاط گسسته در فضا در لحظات گسسته در زمان استفاده می کنند، عددی-تحلیلی نامیده می شوند (روش عنصر مرزی، روش تابع R، روش ارضای گسسته شرایط مرزی و غیره).

§2.6. هدایت حرارتی ناپایدار در اجسام از ساده ترین شکل

در نتیجه حل مشکل هدایت حرارتی غیر ثابت، میدان دما پیدا می شود
، از نظر مکان و زمان متفاوت است. راه حل های تحلیلی دقیق معادله دیفرانسیل هدایت حرارتی برای اجسام ساده ترین شکل با شرایط مرزی انواع 1، 2 و 3 در دستورالعمل روش شناسی "رسانایی حرارتی غیر ثابت" شماره 1684 آورده شده است. برای راحتی محاسبات مهندسی، راه حل تحلیلی برای GIs نوع III به شکل نمودار - نوموگرام ارائه شده است که برای اجسام ساده ترین شکل نیز در همان دفترچه راهنمای شماره 1684 آورده شده است. بنابراین، در ادامه به فرمول مسئله و الگوریتم تعیین میدان دما با استفاده از نوموگرام می پردازیم.

§2.6.1. فرمول ریاضی مسئله

معادله دیفرانسیل خطی هدایت حرارتی برای اجسام با شکل کلاسیک در غیاب منابع حرارتی داخلی به شکل

,

جایی که ایکس 1 - اولین مختصات در سیستم مختصات متعامد؛ k = 1، 2 یا 3 - ضریب شکل بدن. k - ضریب انتشار حرارتی.

میدان دما را در ناحیه محاسبه محدود شده توسط محور تقارن جسم و مرز بیرونی آن خواهیم یافت (شکل 1.2 را ببینید). برای برجسته کردن یک راه حل واحد معادله داده شدهاجازه دهید شرایط منحصر به فرد را تعیین کنیم:

اندازه دامنه محاسباتی
;

خواص ترموفیزیکی مواد بدن شناخته شده است: آو λ ;

هیچ منبع گرمایی داخلی وجود ندارد:
;

شرایط اولیه: T (x 1, 0) = T 0;

شرایط مرزی:

الف) در مرز داخلیاز شرط تقارن میدان دما نتیجه می شود که
;

ب) در مرز بیرونی، انتقال حرارت توسط دمای محیط Tf و ضریب انتقال حرارت تعیین می شود

.

راه حل مسئله مطرح شده، میدان دما برای شرایط ابهام داده شده خواهد بود.

برنج. 2.2. نسبت به محاسبه میدان دما در طول حالت از نوع سوم

در عمل محاسبات مهندسی، یک راه حل کلی از میدان دما به شکل بدون بعد یافت می شود
بسته به ضریب انتقال حرارت بدون بعد - معیار Biot (Bi) در نقاط بدون بعد در فضا (X) در زمان‌های Fo. در این مورد فرمول بندی ریاضیتکلیف به شکل زیر است:

.

شرایط آغازین

شرایط مرزی:

الف) در مرز داخلی
;

ب) در مرز بیرونی
,

دمای بدون بعد کجاست
- مختصات بدون بعد؛ R - مشخصه یا تعیین اندازه بدن. – معیار زیستی؛ λ w ضریب هدایت حرارتی جامد است.
– زمان بدون بعد – معیار فوریه.

در نتیجه حل مشکل رسانایی حرارتی غیر ثابت که به صورت بدون بعد نوشته شده است، به دست می آوریم وابستگی عملکردی
. برای راحتی تجزیه و تحلیل راه حل، این وابستگی به صورت گرافیکی برای مرکز حرارتی و سطح هر بدن به طور جداگانه ارائه شده است. که شش نمودار وابستگی که بیشترین استفاده را دارند عبارتند از
برای مقادیر خاص k=1،2 و 3 در نقاط X=0 و X=1 که در کتاب های درسی مربوط به TMO و دستورالعمل های شماره 1684 آمده است. در شکل 2.3. نمای کلی از نوموگرام برای محاسبه رسانایی حرارتی غیر ساکن در اجسام با ساده ترین شکل در مرز را نشان می دهد. شرایط IIIنوع.

شکل 2.3. نوموگرام برای محاسبه هدایت حرارتی غیر ثابت برای نوع III HE

هنگام محاسبه هدایت حرارتی ناپایدار، 2 فرمول اصلی مشکل وجود دارد: مستقیم و معکوس. هدف از حل مسئله مستقیم تعیین میدان دما (Θ) در است شرایط داده شدهمنحصر به فرد بودن (Fo, Bi). در نتیجه حل مشکل معکوس هدایت حرارتی با استفاده از یک میدان دمایی شناخته شده (Θ)، شرایط منحصر به فرد پیدا می شود - زمان فرآیند هدایت حرارتی یا ضریب انتقال حرارت. اگر با توجه به شرایط مسئله، Θ و Bi مشخص شود، معیار Fo از نمودار مشخص می شود و سپس زمان فرآیند. اگر با توجه به شرایط مسئله، Θ و Fo مشخص شود، معیار Bi از نمودار تعیین می شود که مقدار آن برای محاسبه ضریب انتقال حرارت استفاده می شود.

فرمول مستقیم مسئله محاسبه هدایت حرارتی غیر ثابت

داده شده:
، جایی که – زمان گرم شدن یا سرد شدن بدنه

پیدا کنید: 1) دمای سطح بدن

2) دمای مرکز حرارتی بدن

3) میانگین دمای بدن بر حسب وزن
.

1. قبل از شروع محاسبه، لازم است اندازه منطقه محاسبه R را محاسبه کنید، که برای یک استوانه و توپ بی نهایت برابر با شعاع بدن است، و برای یک صفحه بی نهایت - برای گرمایش یا سرمایش متقارن و بر این اساس. ،
، اگر تبادل حرارتی در یک طرف صفحه وجود نداشته باشد - یک فرآیند هدایت گرما نامتقارن.

2. معیارها را محاسبه کنید
و از نمودارهای سطح و مرکز حرارتی بدن، دمای سطح بدون بعد را تعیین می کنیم
و مرکز به ترتیب.

3. دماهای سطح و مرکز بدن را بیابید. زیرا با تعریف، پس با بیان دمای مجهول، به دست می آوریم
، جایی که T = T w، اگر
و T = T c، اگر
.

4) میانگین دمای بدن را در پایان فرآیند هدایت حرارتی محاسبه می کنیم. با فرض توزیع سهموی دما بر سطح مقطع اجسام با ساده ترین شکل، فرمول محاسبه میانگین دمای جرمی به صورت زیر خواهد بود:

,

که در آن k ضریب شکل بدن است.
- اختلاف دما در سطح مقطع بدن.

فرمول معکوس مسئله محاسبه هدایت حرارتی غیر ساکن

الف. زمان بندی فرآیند گرمایش/سرمایش

پیدا کنید: 1) زمان فرآیند هدایت حرارتی – ;

2) دمای مرکز حرارتی
، یا دمای سطح
;

3) میانگین دمای بدن بر حسب جرم.

الگوریتم کار فوق به شرح زیر است.

1. قبل از شروع محاسبه، لازم است اندازه منطقه محاسبه R را محاسبه کنید، که برای یک استوانه و توپ بی نهایت برابر با شعاع بدن است، و برای یک صفحه بی نهایت - با گرمایش یا سرمایش متقارن و بر این اساس. ، اگر تبادل حرارتی در یک طرف صفحه وجود نداشته باشد - یک فرآیند هدایت گرما نامتقارن.

2. معیارهای دما یا بسته به داده های اولیه، معیار Bi را محاسبه می کنیم. سپس طبق برنامه ها
یا
ما معیار فوریه را تعریف می کنیم.

3. زمان فرآیند را با استفاده از فرمول محاسبه می کنیم
.

4. دمای مجهول و میانگین دمای جرمی را با استفاده از الگوریتم حل مسئله مستقیم پیدا می کنیم.

ب- تعیین ضریب انتقال حرارت از محیط خارجی به سطح بدن

پیدا کنید: 1) ضریب انتقال حرارت -

2) دمای مرکز حرارتی یا دمای سطح؛ ما معیار Biot را تعریف می کنیم که در آن x 1 مختصات m است. k – ضریب شکل بدن. با جایگزینی مقادیر ضریب شکل بدنه و تعیین مختصات برای اجسام با ساده ترین شکل در آخرین معادله، در هر نقطه از یک دیوار صاف به دست می آوریم. بنابراین، برای هر لایه i ام یک دیوار چند لایه می توانیم بنویسیم

,

جایی که
- اختلاف دما در لایه i-امین دیوار چند لایه؛
- مقاومت حرارتی در برابر هدایت حرارتی لایه i-ام دیوار چند لایه.

از عبارت آخر چنین استنباط می شود که اختلاف دما در هر لایه از یک دیوار چند لایه با مقاومت حرارتی این لایه نسبت مستقیم دارد.

چگالی شار حرارتی برای یک دیوار صاف متشکل از n لایه با فرمول محاسبه می شود:

.

دیوار استوانه ای

اجازه دهید معادله هدایت حرارتی دیفرانسیل یک دیوار استوانه ای را در شرایط منحصر به فرد زیر حل کنیم:

شعاع داخلی و خارجی دیوار استوانه ای برابر با r 1 و r 2, m است.

رهنمودها

آفاناسیوا، O.B. سننیکووا، E.A. شکیرووا نظریاصول اولیهمهندسین گرمایش. طراحی و محاسبه مبدل حرارتی بازیابی روشی ...، 1366.-352 ص. باکلاستوف A.M. صنعتی انتقال حرارت و جرمفرآیندها و تاسیسات / A.M. باکلاستوف، ...

گرایش آموزش 140100 دوره های کارشناسی ارشد مهندسی برق حرارتی و گرمایشی مبانی نظری مهندسی گرمایش

سند

مهندسی برق حرارتی و مهندسی گرمایشبرنامه های کارشناسی ارشد: نظریاصول اولیهمهندسین گرمایشتکنولوژی تولید برق ... گرافیک مهندسی"، "ترمودینامیک فنی"، " انتقال گرما و جرم""فناوری اطلاعات"، "روش های عددی...

برنامه کاری برای رشته OPD f 6 هیدرولیک و مهندسی حرارت

برنامه کاری

و حالت های عملیاتی هیدرومکانیکی و انتقال حرارت و جرمدستگاه ها و تاسیسات 3. توزیع ... Rtishcheva A.S. نظریاصول اولیههیدرولیک و مهندسین گرمایش: اوه راهنما - اولیانوفسک، 2007. لیاشکوف V.I. نظریاصول اولیهمهندسین گرمایش: آموزشی...

سند

... : - نظریاصول اولیهمهندسین گرمایش نظریاصول اولیهمهندسین گرمایش ...

برنامه آزمون ورودی کارشناسی ارشد گرایش 140100 68 مهندسی برق حرارتی و مهندسی حرارت

سند

... : - نظریاصول اولیهمهندسین گرمایش; - منابع و سیستم های تامین حرارت برای شرکت ها؛ - حامل های انرژی فن آوری شرکت ها - صرفه جویی در انرژی در مهندسی برق حرارتی و فناوری های گرما. نظریاصول اولیهمهندسین گرمایش ...

مهندسی گرمایش

آموزش

سامارا 2012

مهندسی حرارتی: روش، دستورالعمل / سمر. حالت هوافضا، دانشگاه; Comp. V.N. بلوزرتسف، A.P. تولستونوگوف سامارا، 2012. 40 ص.

سؤالات اصلی برای کار مستقل در برنامه درسی ترمودینامیک و انتقال حرارت، جنبه های روش شناختی موضوعات مورد بحث، سؤالات آزمون، مواد برای کار دوره، برای خودآموزی، روشهای انجام تست.

دستورالعمل ها برای دانش آموزانی که در تخصص 160301.65 "موتورهای هواپیما و نیروگاه ها" و همچنین زمینه های آموزشی در چارچوب استاندارد آموزشی ایالتی فدرال نسل سوم - 160700.65 "طراحی هوانوردی و هوانوردی" توصیه می شود. موتورهای موشکی"، 141100.62 "مهندسی نیرو"، 151900.62 "طراحی و پشتیبانی فناوری تولید ماشین سازی"، 151000.62 "ماشین آلات و تجهیزات فناورانه"، 162300.62 "عملیات فنی" هواپیماو موتورها، 190700.62 "تکنولوژی فرآیندهای حمل و نقل".

با تصمیم شورای تحریریه و انتشارات ایالت سامارا منتشر شد دانشگاه هوافضاآنها آکادمیک S.P. Korolev

داور: دکترای علوم فنی پروفسور V.N. ماتویف

1. مبانی نظری مهندسی حرارت ...................................... .......................................... 5

2. تئوری انتقال حرارت ...................................... .......................................................... ............. 10

3. منابع انرژی و تجهیزات برق حرارتی شرکت های هواپیمایی.......... 13

4. آزمون برای کلیه گرایش ها ...................................... ........ ................. 20

تکلیف شماره 1 در درس تبادل حرارت ...................................... .......................................... 21

تکلیف شماره 2 درس ترمودینامیک .......................................... ...................................... 22

فهرست ادبیات پایه...................................................... .......................................................... .... 36

فهرست متون اضافی ..................................................... .......................................... 36

فهرست منابع مورد استفاده ................................ ........... ................................ 36

برنامه های کاربردی................................................. .......................................................... ................................ 37

یک متخصص، سازمان دهنده حمل و نقل هوایی برای یک شرکت هواپیمایی، اغلب باید مشکلات مربوط به الزامات و شرایط ذخیره سازی، حمل و نقل و حتی بهره برداری از امکانات حمل و نقل هوایی را حل کند.

اینها می توانند محصولات بزرگ، بلوک های آنها، موتورهای حرارتی، نیروگاه ها و سیستم های حرارتی برای اهداف مختلف، مجتمع های سیستم های پنوماتیک و هیدرولیک دستگاه های فنی مختلف باشند.

یکی از بسیاری از وظایف خدمات حمل و نقل هوایی ممکن است اطمینان از شرایط مورد نیاز برای نگهداری زمینی اشیاء حمل و نقل قبل از ارسال آنها به مخاطب باشد. در این صورت متخصص نیاز به دانش سیستم های گرمایش ساختمان، واحدهای برودتی و گرمایشی و سیستم های تهویه مطبوع دارد. در نهایت، ممکن است سوالاتی در مورد انتخاب سوخت، استفاده از منابع انرژی غیر سنتی و صرفه جویی در انرژی مطرح شود.

هدف از دوره "مهندسی حرارتی" ارائه دانش، مهارت ها و توانایی های کافی برای درک فرآیندهای در حال اجرا و ویژگی های عملکرد سیستم ها، دستگاه ها و واحدهای انرژی است. این دانش را نظام مند کرده و به سطح مهندسی برساند. این دوره با تمرکز کلی انرژی، به متخصصان آینده اجازه می دهد تا سیاست های صرفه جویی در مصرف انرژی را در شرکت اجرا کنند.

این دوره از سه بخش شامل 12 موضوع تشکیل شده است. همراه با مسائل نظریارائه می کند مجموعه بزرگسوالاتی برای خودآزمایی و همچنین حاوی دستورالعمل های روش شناختی برای مطالعه موضوع و انجام تست ها است که در جلسه آزمون آزمایشگاهی در دانشگاه برای دفاع ارائه می شود. برای تکمیل مستقل آزمون، دانش آموز باید از ادبیات و مواد اولیه و اضافی توصیه شده موجود در شرکت هواپیمایی در محل کار دانش آموز استفاده کند.

برای هر موضوع در همه بخش ها، توصیه هایی برای مطالعه مستقل ارائه می شود، مطالبی که باید به آنها توجه ویژه ای شود نشان داده شده است و سوالات کنترلی برای بررسی مستقل کیفیت تسلط بر موضوع ارائه شده است. توجه ویژهمحتوای دوره بر افشا تمرکز دارد موجودیت فیزیکیپدیده های مورد بررسی، آنها را با ویژگی های قابلیت اطمینان و کارایی در استفاده از آنها پیوند می دهد.

در طول جلسه، دانش‌آموزان به سخنرانی‌های اجمالی در مورد مسائل اصلی دوره گوش می‌دهند، کارهای آزمایشگاهی را انجام می‌دهند و از آنها دفاع می‌کنند، آزمایشی که در پایان دستورالعمل‌ها ارائه می‌شود، و سپس در امتحانات یا آزمون شرکت می‌کنند.

مبانی نظری مهندسی گرمایش

اهداف و مقاصد دوره. مروری کوتاه بر نیروگاه ها و سیستم های انرژی خطوط هوایی منابع انرژی.

مبحث 1. مفاهیم اساسی ترمودینامیک فنی

ترمودینامیک فنی و مفاهیم اساسی آن: سیال کار، سیستم ترمودینامیکی و فرآیند. پارامترهای حالت قوانین گازهای ایده آل قوانین ترکیبی بویل-ماریوت و گی-لوساک. معادله حالت گاز ایده آل. گرما، کار، انرژی داخلی، ظرفیت گرمایی. قانون اول ترمودینامیک. آنتالپی P-V -نمودار و خواص آن فرآیندهای برگشت پذیر و غیر قابل برگشت فرآیندهای چند تروپیک موارد خاص فرآیندهای پلی تروپیک: ایزوکوریک، ایزوباریک، همدما، آدیاباتیک. تجزیه و تحلیل گرافیکی فرآیندهای پلی تروپیک قانون دوم ترمودینامیک مفهوم فرآیندهای ترمودینامیکی دایره ای - چرخه ها. چرخه های رو به جلو و معکوس. ضرایب تبدیل انرژی در چرخه ها: راندمان حرارتی، ضریب سرمایش، ضریب گرمایش. چرخه کارنو قضیه کارنو انتگرال کلازیوس برای فرآیندهای برگشت پذیر و غیر قابل برگشت. آنتروپی T-S - نمودار و خواص آن هویت ترمودینامیکی اکسرژی، انواع و اجزای آن. اگزرژی یک ماده در حجم بسته. قضیه گای-استودولا. اگزرژی یک ماده در یک جریان. آنرژی. بازده اکسرژی سیستم های فنی. ضرایب تبدیل و بازده اکسرژی.

مطالب مربوط به این موضوع شامل مجموعه ای از مفاهیم ضروری است که بر اساس آن موضوعات بعدی ارائه می شود.

لازم است به وضوح تصور کنید که تبدیل برخی از اشکال انرژی (گرما، انرژی داخلی، کار) یک سیستم ترمودینامیکی (TDS) به سایرین با تغییر در پارامترهای حالت آن همراه است. تغییر مداوم در پارامترهای حالت TDS را فرآیند ترمودینامیکی می نامند. مطالعه فرآیندها باید با فرآیند پلی تروپیک به عنوان تعمیم همه فرآیندها و سپس با موارد خاص آن آغاز شود. گرما و کار مقدار انرژی منتقل شده را اندازه گیری می کند. رابطه کمی در تبدیل‌ها و تبدیل‌های متقابل برخی از اشکال انرژی به شکل‌های دیگر، قانون اول ترمودینامیک را ایجاد می‌کند و شرایطی که تحت آن این تبدیل‌ها ممکن است، قانون دوم را ایجاد می‌کند. علاوه بر این، قانون دوم شرایط لازم را برای اجرای چرخه های موتورهای حرارتی دوره ای ایجاد می کند. نوشتن معادله قانون اول ترمودینامیک برای تمام موارد خاص فرآیندهای چند تروپیک توصیه می شود. وقتی به چرخه کارنو نگاه می کنید، دریابید که چرا چرخه ایده آل برای هر موتور یا ماشین تبرید است. با استفاده از خواص آنتروپی و هویت ترمودینامیکی به عنوان مثال، جهت فرآیندهای ترمودینامیکی را نشان می دهد.

دانش آموز باید درک کند که اگزرژی یک ویژگی یک سیستم ترمودینامیکی یا جریان انرژی است که با مقدار کاری که می تواند توسط گیرنده انرژی خارجی در طول برهمکنش برگشت پذیر آن با محیط تا زمانی که تعادل کامل برقرار شود به دست آورد تعیین می شود. با این حال، دانش آموز باید درک کند که کار نتیجه نهایی و ضروری بهره برداری از نیروگاه های حرارتی است. برای شرایط مدرن، اهداف سیستم های فنی برای تبدیل ماده و انرژی بسیار متنوع است و علاوه بر به دست آوردن کار، شامل تبدیل و به دست آوردن ماده، گرما، سرما، تابش پارامترهای مورد نیاز و غیره است. بنابراین، اصطلاح "اگزرژی" باید به عنوان انرژی درک شود که با آنتروپی مشخص نمی شود. اثری که چنین انرژی را در یک انتقال نشان می دهد به عنوان معیاری برای این انرژی استفاده می شود، اما نه به عنوان هدف نهاییتحولات انرژی

سوالات خودآزمایی

1. منظور از سیستم ترمودینامیکی و فرآیند ترمودینامیکی چیست؟

2. در صورت مشخص بودن قرائت فشارسنج و فشارسنج (فشار سنج و وکیوم گیج) چگونه می توان فشار مطلق سیال عامل را تعیین کرد؟

3. ابعاد پارامترهای ترمودینامیکی و مقادیر کالری با آنها در این قسمت را بنویسید.

4. توابع حالت ذکر شده در این قسمت را فهرست کنید. خواص آنها را فرموله کنید.

5. یک گاز ایده آل را تعریف کنید.

6. به چه فرآیندی پلی تروپیک می گویند؟ ویژگی های اصلی فرآیند پلی تروپیک را فهرست کنید.

7. موارد خاص فرآیندهای پلی تروپیک را فهرست کنید. آنها را به تصویر بکشید
P-V- و T-S- مختصات

8. آیا ظرفیت گرمایی در فرآیند پلی تروپیک با ورودی گرما منفی است؟ توضیح.

9. معنی فیزیکی ثابت گاز چیست؟

10. قانون اول ترمودینامیک را برای یک فرآیند همدما بنویسید.

11. کدام فرآیندهای ترمودینامیکی از نقطه نظر به دست آوردن حداکثر کار فرآیندی سودمندتر هستند؟

12. خصوصیات مشخصه را فهرست کنید P-V- و T-S- نمودارها مثال بزن.

13. تعریفی از فرآیندها-چرخه های دایره ای ارائه دهید. علائم بیرونی چرخه های رو به جلو و معکوس را شرح دهید. برای ارزیابی اثربخشی آنها از چه ضرایبی استفاده می شود؟

14. یک عبارت برای بازده حرارتی چرخه کارنو بنویسید.

15. با T-S- نمودارها، ثابت می کنند که چرخه کارنو، با همان حداکثر و پیاده سازی شده است حداقل دمااز هر چرخه واقعی، ارزش بازده حرارتی بالاتری دارد.

16. با استفاده از قانون دوم ترمودینامیک ثابت کنید که ایزوترم و آدیابات فقط در یک نقطه می توانند قطع شوند.

17. اگزرژی، آنرژی چیست؟ آیا اکسرژی می تواند باشد برابر با صفر?

18. بازده اکسرژی چیست؟

19. مثال هایی از نحوه استفاده از تعادل اگزرژی برای ارزیابی امکان اجرای یک فرآیند ترمودینامیکی خاص ارائه دهید.

اطلاعات مربوطه.

V. I. لیاشکوف

نظری

مهندسین گرمایش

V. I. لیاشکوف

نظری

مهندسین گرمایش

تایید شده توسط وزارت آموزش و پرورش فدراسیون روسیه به عنوان کمک آموزشی برای دانشجویان موسسات آموزش عالی که در زمینه آموزش متخصصان معتبر "مهندسی برق حرارتی" تحصیل می کنند.

چاپ دوم، کلیشه ای

مسکو "خانه انتشارات مهندسی ماشین-1"

UDC 536.7(07) BBK Í 311ya73-1 L99

بازبینان:

بخش مهندسی برق و حرارت صنعتیدانشگاه فنی دولتی ورونژ،

رئیس بخش، کارگر محترم علم و فناوری فدراسیون روسیه، دکترای علوم فنی، پروفسور،

V. V. Faleev

دکترای علوم فنی، استاد،

S. A. Ulybin

این انتشار با حمایت مالی Tambovenergo OJSC امکان پذیر شد.

لیاشکوف V. I.

L99 مبانی نظری مهندسی حرارت: کتاب درسی. کمک هزینه

ویرایش دوم، پاک شد. M.: Publishing House Mashinostroenie-1, 2005. 260 p.

کتاب درسی به طور مختصر و پیوسته مبانی نظری مهندسی گرما (مبانی ترمودینامیک، تئوری انتقال گرما و جرم و تئوری احتراق) را بیان می کند که اطلاعات لازم و کافی را تشکیل می دهد تا در آینده یک متخصص بتواند به طور مستقل خود را عمیق تر کند. دانش در زمینه های خاصی از مهندسی حرارت کاربردی. مطالب آموزشی در دوزهای مجزا و نسبتاً کم ارائه می شود که ساختار و ترتیب ارائه آن توسط منطق درونی علوم نام برده شده است.

در نظر گرفته شده برای دانشجویانی که در تخصص "تامین انرژی برای شرکت ها" تحصیل می کنند. قابل استفاده برای دانشجویان سایر تخصص ها در هنگام تحصیل در رشته های مهندسی گرما.

UDC 536.7(07) BBK Í 311я73-1

شابک 5-94275-027-0

لیاشکوف V.I.، 2002

"انتشارات Mashinostroenie-1"، 2002

ما تلاش می کنیم خانه شما را گرم و دنج کنیم

"Teploservis"

LLC "Energostroy"

نسخه آموزشی

لیاشکوف واسیلی ایگناتیویچ

مبانی نظری مهندسی گرمایش

آموزش

چاپ دوم، کلیشه ای

ویرایشگر Z. G. Chernova

مهندس نمونه سازی کامپیوتر M. N. Ryzhkova

برای انتشار در 17 مارس 2005 امضا شد.

فرمت 60 × 84 / 16. کاغذ افست. چاپ آفست.

تایپ فیس تایمز رومن جدید. حجم: 15.11 واحد معمولی. فر l. 16.0 ویرایش علمی ل

تیراژ 500 نسخه. سفارش 165 میلیون

"انتشارات Mashinostroenie-1"، 107076، مسکو، خط استرومینسکی، 4

آماده چاپ و چاپ در مرکز انتشارات و چاپ دانشگاه فنی دولتی تامبوف،

392000، تامبوف، سووتسکایا، 106، ساختمان 14

به یاد دوست داشتنی استادم

الکساندر سیلیچ لیشفسکی (1922-1981) کارمند محترم علم و فناوری فدراسیون روسیه، دکترای علوم فنی، پروفسور،

این اثر حقیر تقدیم شده است

علیرغم اینکه انتشار کتاب های آموزشی در رشته های فنی در 10 سال گذشته عملاً متوقف شده است، هنوز کتاب های درسی زیادی با عنوان های «مهندسی حرارتی عمومی»، «مهندسی حرارتی» و غیره منتشر شده در دهه 60 تا 80 در قفسه کتابخانه ها وجود دارد. . متأسفانه، زمان اجتناب ناپذیر است، وظایف و رویکردهای جدید را مطرح می کند و بر موارد جدید تسلط می یابد. دستاوردهای علمی، به طور فزاینده ای آنها را برای توصیه بی قید و شرط نامناسب می کند دانش آموزان مدرنکه مسیر شریفی را در زندگی انتخاب کرده اند: با دریافت تخصص مهندسی برق حرارتی، خود را وقف حل مهمترین مشکل ملی می کنند - جلوگیری از بحران انرژی که به طور فزاینده ای به کشور ما نزدیک می شود.

بنابراین، نویسنده تصمیم می گیرد این اثر را منتشر کند، با این امید که به طور قابل توجهی تسلط دانشجویان بر مبانی نظری مهندسی حرارتی را تسهیل کند، علمی واقعاً بی حد و حصر که اصول عملکرد، اصول طراحی و ویژگی های محاسباتی را مطالعه می کند. از انواع ماشین ها، دستگاه ها و دستگاه هایی که در آنها انرژی حرارتی ظاهر می شود.

امروزه هنگام سازماندهی فرآیند آموزشی، اهمیت ویژه ای به کار مستقل دانش آموزان داده می شود. در عین حال، دوره‌های سخنرانی به طور فزاینده‌ای کوتاه‌تر می‌شوند؛ سخنرانی‌ها اغلب ماهیت مروری یا مشکل‌محور دارند. در چنین شرایطی، انتخاب صحیح و ترتیب مطالب آموزشی به گونه ای که منطق درونی علم را منعکس کند، می تواند دشوار باشد، به طوری که ارائه برای افرادی که تازه شروع به آشنایی با این علم کرده اند، جامع، سازگار و قابل درک باشد.

آموزش منعکس می کند چندین سال تجربهکار نویسنده با دانش آموزان سال دوم و سوم. با ارائه یک ارائه منسجم و مختصر از مبانی ترمودینامیک، انتقال حرارت، تئوری انتقال جرم، نظریه احتراق و غیره، جایگزین کتاب های درسی فوق الذکر نوشته نشده است. بلکه این اولین دروازه ورود به یک منطقه بزرگ و جالب است دانش علمیمربوط به مهندسی گرمایش بنابراین فقط آن مطالب آموزشی را شامل می شود که تسلط بر آن برای کسب چنین سطحی ضروری است. آموزش تئوری، که به شما امکان می دهد دانش خود را در طول کار مستقل بعدی با کتاب های درسی، تک نگاری ها، کتاب های مرجع و غیره به راحتی افزایش دهید.

معرفی

امروزه تقریباً هر زمینه ای از فعالیت های مهندسی تا حد زیادی با مشکلات صرفه جویی در انرژی، توسعه، اجرا و بهره برداری از فناوری های صرفه جویی در منابع و مسائل مربوط به تبدیل و انتقال انرژی مرتبط است. رشته دانشگاهی "مبانی نظری مهندسی حرارت" برای تجهیز متخصصان آینده به دانش طراحی شده است. قوانین عمومیو روش های مهندسی بر این اساس برای محاسبه فرآیندهایی که در طول دریافت، تبدیل و توزیع انرژی حرارتی در فضا به وجود می آیند. از نظر ساختاری، این شامل سه است علوم فردی: «ترمودینامیک»، «انتقال حرارت» و «مبانی تئوری احتراق».

ترمودینامیک قوانین تبدیل را مطالعه می کند انواع مختلفانرژی به گرما (و بالعکس - گرما به انواع دیگر انرژی)، و همچنین ویژگی ها فرآیندهای فیزیکیهمراه با این تحولات. ترمودینامیک به عنوان یک علم مستقل در آغاز قرن نوزدهم شروع به شکل گیری کرد، اگرچه بسیاری از مقررات اساسی آن حتی زودتر در چارچوب نظریه فیزیکی عمومی کشف و فرموله شد. در میان بنیانگذاران و دانشمندانی که مشارکت داشتند بزرگترین سهمدر توسعه ترمودینامیک، ما با نام های معروف آشنا می شویم: M.V. Lomonosov، که در کار خود "بازتابی در مورد علل گرما و سرما" (1744) پیشنهاد کرد. نظریه یکپارچهگرما و ساختار ماده، فرمول بندی قوانین بقای جرم و انرژی، دی. ژول، دبلیو. تامسون، آر. کلازیوس، اس. کارنو، جی. هس، ال. بولتزمن،

وی. در طول بیش از یکصد و پنجاه سال تاریخ توسعه خود، این علم اشکال روش شناختی بی عیب و نقص و بدیهیات دقیقی را به دست آورده است، به طوری که امروزه به شایستگی آن را ترمودینامیک کلاسیک می نامند.

ترمودینامیک ندارد موضوع خودمطالعه، بر خلاف، برای مثال، زیست شناسی، که موجودات زنده را مطالعه می کند، یا هندسه، که مطالعه می کند. چهره های تخت. این یک علم روش شناختی است که ما را با یک روش تحقیق خاص مجهز می کند که اساس آن در نظر گرفتن هر فرآیند جهان مادی از طریق منشور قوانین اساسی طبیعت است که توسط ترمودینامیک ایجاد شده است.

انتقال حرارت یا به طور دقیق‌تر تئوری انتقال گرما و جرم، علمی است که فرآیندهای گرما (یا جرم، از آنجایی که تشابه واضحی از چنین فرآیندهایی شناسایی شده است) در فضا مطالعه می‌کند. فرآیندهای توزیع گرما در فضا با همه تنوعی که دارد موضوع مطالعه این علم است. مفاهیم و قوانین اساسی نظریه انتقال حرارت نیز در چارچوب نظریه فیزیکی عمومی در طلوع توسعه سریع آن تدوین شد. به عنوان مثال، اصول اولیه نظریه تحلیلیهدایت حرارتی توسط J. Fourier در سال 1822 تعیین شد. در اواسط قرن نوزدهم، مبانی تئوری تشابه تدوین شد و در سال 1915 برای اولین بار توسط W. Nusselt برای مطالعه فرآیندهای انتقال حرارت استفاده شد. کمی قبل از آن، O. Reynolds آن را در مطالعه فرآیندهای هیدرودینامیکی به کار برد و ایده یک قیاس بین حرارتی و هیدرودینامیکی فردی را بیان کرد.

در سالهای پس از جنگ شروع به توسعه کرد. در اینجا، سهم تعیین کننده توسط هموطنان ما انجام شد، که در میان آنها آثار دانشگاهیان V. M. Kirpichev، M. A. Mikheev، S. S. Kutateladze، G. N. Kruzhilin و دیگران برجسته است.

در پاسخ به خواسته های جدید ارائه شده توسط روش مدرن، این علم به سرعت در حال توسعه است و به طور فزاینده ای بر حوزه های کاربردی جدید (انرژی هسته ای، فناوری فضاییو غیره)، گسترش و شفاف سازی رویکردها و روش های خود برای حل مشکلات نوظهور. و امروزه، دانشمندان معتبری مانند دانشگاهیان A. I. Leontiev، V. P. Skripov، A. G. Shashkov و اساتید G. N. Dulnev، G. A. Dreitser، S. P. Rodobashta و دیگران، و همچنین دانشمندان جوانی که پایان نامه خود را اختصاص داده اند، سهم بزرگی در توسعه بیشتر این علم دارند. برای حل مسائل تئوری و عملی فعلی فردی کار می کند.

مبانی تئوری احتراق مکانیسم را مورد بحث قرار می دهد واکنش شیمیاییاحتراق، کشف شده توسط آکادمیسین N. N. Semenov و پیروانش برنده جایزه نوبل، و همچنین ویژگی های فیزیکی فرآیندهای احتراق در طول شرایط مختلفاحتراق متداول ترین سوخت ها روش برای محاسبات فنی احتراق نیز در اینجا آورده شده است.

بیایید به یک مورد دیگر توجه کنیم ویژگی مهماز تمام این سه علم: آنها بر روی عملکرد مهندسی خاص متمرکز هستند و همیشه نتیجه گیری و نتیجه گیری خود را به توصیه های عملی و روش های محاسباتی بدون ابهام می آورند.

توسعه سریع تجهیزات کامپیوترو فناوری اطلاعاتمحققان را به ابزارهای قدرتمندی مجهز می کند که انجام مدل سازی عددی پدیده های مورد مطالعه را نسبتاً آسان می کند. این رویکرد برای حل بسیاری از مسائل مربوط به انتقال حرارت است که امروزه به یکی از اصلی ترین موارد تبدیل شده است، زیرا این امر به طور قابل توجهی هزینه های نیروی کار و مالی حل مشکل را کاهش می دهد.

کاملا واضح است که بدون دانش عمیقدر هر سه این بخش از رشته دانشگاهی ما، موفق است فعالیت مهندسیو از این رو مطالعه مبانی نظری مهندسی حرارت به ویژه برای متخصصان آینده که مستقیماً با مهندسی حرارت و نیرو مرتبط هستند اهمیت روزافزونی پیدا می کند.

1 مبانی آنالیز ترمودینامیکی

اصول ترمودینامیک پرتاب شده است نور روشنبرای همه پدیده های طبیعی

دی. ماکسول

1.1 مفاهیم کلی و قوانین ترمودینامیک

1.1.1 اصطلاحات پایه ترمودینامیک

d x i = 0

دنیای اطراف ما مادی است، ماده در حرکت مداوم است. اندازه حرکت ماده را انرژی می نامند. اغلب ما با اشکال مکانیکی و حرارتی حرکت ماده مواجه می شویم. در مورد اول، حرکت با حرکت درشت حجم ماده در فضا همراه است، و در مورد دوم - با حرکت فقط در سطح میکرو (حرکت حرارتی مولکول ها). تغییرات انرژی حاصل از چنین حرکاتی را به ترتیب کار مکانیکی و گرما می نامند.

جسم یا گروهی از درشت‌بادی‌ها که خواص انرژی آن‌ها باید بررسی شود، سیستم ترمودینامیکی نامیده می‌شود. تمام بدن های دیگری که می توانند با سیستم تعامل داشته باشند، محیط را تشکیل می دهند. مرز بین سیستم و محیط را سطح کنترل می گویند. اگر سطح کنترل اجازه تبادل جرم بین سیستم و محیط را بدهد، سیستم باز نامیده می شود، اما اگر چنین تبادلی غیرممکن باشد، سیستم بسته نامیده می شود. سیستم های بسته ساده تر هستند و از آنها است که ما شروع به مطالعه اصول ترمودینامیک می کنیم.

یکی از بدیهیات ترمودینامیک قانون صفر آن است: هر گونه تغییر در یک سیستم تنها در نتیجه تعامل با محیط امکان پذیر است. با پذیرش پیشینی این موقعیت، بسیاری از سیستم‌های بیولوژیکی را که توانایی تغییر خودبه‌خود را دارند، از موضوعات تحلیل حذف می‌کنیم.

حالت ها و خواص سیستم با تعدادی کمیت فیزیکی مشخص می شود. هنگام تعامل با محیط، برخی از آنها تغییر می کنند و به آنها پارامترهای وضعیت سیستم می گویند. مقادیر دیگر عملاً آنها را تغییر نمی دهند مقدار عددیو ثابت فیزیکی نامیده می شوند. ثابت‌های فیزیکی ویژگی‌های ماده پرکننده سیستم را مشخص می‌کنند و پارامترهای حالت ویژگی‌های حالت این ماده را مشخص می‌کنند. نمونه هایی از پارامترها: p، T، V (فشار، دما، حجم). مثال هایی از ثابت های فیزیکی: с р,r (ظرفیت گرمایی، گرمای تبخیر).

یک سیستم اگر پارامترهای آن در فضا تغییر نکنند همگن و اگر در زمان تغییر نکنند تعادل نامیده می شود. قانون صفرترمودینامیک گاهی اوقات اینگونه فرموله می کند: در غیاب تاثیرات خارجیسیستم دیر یا زود به حالت همگن و تعادل می رسد.

پارامترهای وضعیت را می توان به دو گروه تقسیم کرد. پتانسیل p پارامترهایی هستند که تفاوت آنها در محیط و سیستم نیروی محرکه تعامل است. وقتی i = p در i، تعامل از نوع i غیرممکن است. در اصل، تعامل فقط زمانی امکان پذیر است که i ≠ p در i باشد. نمونه هایی از پتانسیل: p، T، E (پتانسیل الکتریکی). مختصات x i پارامترهایی هستند که تغییرات آنها در سیستم نشان دهنده وقوع تعامل است. اگر x i ≠ 0 باشد، برهمکنش صورت می گیرد، اما برهمکنش انجام نمی شود حتی اگر تفاوت لازم در پتانسیل وجود داشته باشد.

cials (به دلیل وجود جداسازی جزئی یا کامل سیستم). نمونه هایی از مختصات: V ,m (با فعل و انفعالات شیمیایی)، عدد بارهای الکتریکیدر طول فعل و انفعالات الکتریکی، و غیره.

بر اساس قیاس با نظریه میدان ریاضی در ترمودینامیک، قانون علامت زیر برای پتانسیل پذیرفته می شود: اگر این اتفاق بیفتد، تفاوت p n i - p در i مثبت در نظر گرفته می شود (یعنی p n i > p در i) اگر این اتفاق بیفتد.

فرآیند تعامل با افزایش مختصات حالت مربوطه (d x i > 0).

مختصات حالت حرارتی آنتروپی نامیده می شود. مشکل این پارامتر این است که ماهیت آماری دارد و با تجربه یا اندازه گیری مستقیم قابل تشخیص نیست. آنتروپی یک سیستم با احتمال وضعیت آن تعیین می شود. احتمال یک حالت سیستم به عنوان تعداد راه هایی که از طریق آنها امکان دستیابی به آن وجود دارد درک می شود این ایالت، با شروع از یک مورد اولیه. بنابراین، احتمال وضعیت سیستم به صورت عددی نشان دهنده میزان آشفتگی در آرایش عناصر تشکیل دهنده آن است. حداقل ذره کیهان بزرگ یک مولکول است. این بدان معنی است که احتمال یک حالت درجه نظم (یا بی نظمی) توزیع مولکول ها در حجم یک سیستم ترمودینامیکی را مشخص می کند. L. Boltzmann نشان داد که مقدار آنتروپی متناسب با احتمال حالت W است و با فرمول S = k ln W تعیین می شود، که در آن k ثابت استفان است.

بولتزمن (یکی از ثابت های فیزیکی جهانی).

با تامین گرما به سیستم، شدت آن افزایش می یابد حرکت حرارتیمولکول ها، میزان تصادفی بودن توزیع آنها در فضا نیز افزایش می یابد. این بدان معنی است که W و S هر دو به صورت عددی افزایش می یابند. هنگامی که گرما حذف می شود، برعکس اتفاق می افتد: آنتروپی S کاهش می یابد.

در پایان پاراگراف، توجه می کنیم که رویکرد مشخص شده برای معرفی مفهوم آنتروپی نسبتاً اخیراً توسعه یافته است. برای مطالعه دقیق تر این بخش از ترمودینامیک، می توانید توصیه کنید

فقط کتاب‌های درسی را مد نظر قرار دهید، یا از آنجایی که در بیشتر کتاب‌های درسی و کتاب‌های راهنما این موضوع تا حدودی متفاوت است، بر اساس رویکرد پیشنهادی R. Clausius.

1.1.2 قانون اول ترمودینامیک به شکل کلی

آغاز همه چیز را پیدا کنید، و چیزهای زیادی را درک خواهید کرد

قانون اول ترمودینامیک روابط کمی را در طول تبدیل اشکال مختلف انرژی به یکدیگر برقرار می کند. اجازه دهید برخی از سیستم های ترمودینامیکی (نگاه کنید به شکل 1.1) توانایی انجام همزمان چندین نوع تعامل با محیط را داشته باشند، به عنوان مثال، مکانیکی، حرارتی، شیمیایی و غیره. در نتیجه چنین برهمکنش پیچیده ای، که در آن جریان ها از محیط به سیستم (یا بالعکس) انرژی از انواع مختلف∆ E 1,∆ E i, …,∆ E n. .

			محیط							انرژی سیستم که آن را انرژی داخلی می نامیم تغییر می کند
			سطح کنترل							مقدار ∆U کاهش می یابد. مطابق با قانون بقای انرژی
									∆E 1.	gy (انرژی ناپدید نمی شود و دوباره ظاهر نمی شود، کمیت آن همیشه است
										ثابت می ماند) مجموع تمام تغییرات انرژی برابر است با
			ترمودینامیکی							لیو از همین رو
										∆U +∑ ∆E i =0.
∆Q n			∆U
						∆Q i
									∆E i	i=0
∆ E n . . . . . . . . . . . . . . . . . . .										متأسفانه فرمول (1.1) در مهندسی قابل استفاده نیست
										تمرین کنید، زیرا مقادیر موجود در آن قابل اندازه گیری نیست.
			مجتمع بین							در واقع، مقدار U را نمی توان اندازه گیری کرد، زیرا
عمل بین اطراف										فقط تعریف فلسفی انرژی شناخته شده است و مهندسی وجود ندارد
مقادیر ∆ E i										تعریف (فقط اشکال منفرد انرژی تعریف شده است).
			اندازه گیری غیرممکن است زیرا محیط به وضوح مشخص نشده است (به دلیل

فقط یکی از مرزهای آن شناخته شده است - سطح کنترل). بنابراین، هنگام تلاش برای اجرای فرمول (1.1)، خود را در موقعیت حساسی می یابیم که از یک افسانه کودکانه آشناست: "برو آنجا، نمی دانم کجا، اندازه گیری کن، نمی دانم چیست."

برای تصمیم‌گیری، بیایید مفهوم میزان تأثیر یک نوع داده‌شده Δ Q i را معرفی کنیم، بنابراین آن را نام می‌بریم

مقدار انرژی از نوع خاصی که توسط یک سیستم در هنگام تعامل با محیط دریافت می شود (یا داده می شود). بر اساس این تعریف، ∆ Q i = -∆ E i . از آنجایی که سیستم بدون ابهام توصیف شده است، در نظر گرفته شده است

که هر اندازه گیری در آن امکان پذیر است، از جمله اندازه گیری هایی که تعیین مقادیر Δ Q i را ممکن می کند. حالا فرمول (1) شکل می گیرد

معمولاً در ترمودینامیک برهمکنش‌های بینهایت کوچک را تحلیل می‌کنیم، بنابراین از افزایش‌های متناهی ∆ U و ∆ Q i به بی‌نهایت کوچک dU و ∆ Q i می‌رویم. سپس فرمول (1.2) را به صورت زیر بازنویسی می کنیم

dU = ∑ dQi

i=1

و اجازه دهید نتیجه گیری کنیم: تغییر در انرژی داخلی با مجموع مقادیر تأثیرات انجام شده در طول تعامل تعیین می شود. با استفاده از تعدادی مثال ساده، نحوه تعیین میزان تاثیر dQ i برای انواع مختلف تعاملات را در نظر خواهیم گرفت.

مثال اول (نگاه کنید به شکل 1.2): یک فنر با نیروی خارجی F n بارگذاری شده است. در اینجا پتانسیل نیروی F n است و مختصات مقدار مختصات خطی است. اگر پتانسیل خارجی Fn با مقدار معینی dF تغییر کند، آنگاه یک برهمکنش مکانیکی رخ خواهد داد که در آن مختصات با مقدار dx تغییر خواهند کرد (شکل 1.2، b را ببینید). با چنین تعاملی، میزان تأثیرگذاری است کارهای مکانیکیساخته شده توسط فنر:

مسیر قدرت متوسط

dQ = - dLmech = - 0.5 [Fn + (Fn + dF)] dx = 0.5 [Fv + (Fv + dF)] dx = = Fv dx + 0.5 dFdx.

برنج. 1.4 مدار الکتریکی ساده

برنج. 1.3 De-

x–dx

P+dp، V+dV

ب)

p، V

با غفلت از جمله دوم به عنوان کمیتی از مرتبه دوم کوچکی، می بینیم که میزان تاثیر توسط محصول تعیین می شود. پتانسیل داخلی F را وارد کنید تا حالت coderedx را تغییر دهید.

اجازه دهید اکنون برهمکنش را در یک سیستم تغییر شکل، که یک سیلندر با یک پیستون متحرک است، در نظر بگیریم (شکل 1.3 را ببینید). مختصات حالت در اینجا حجم سیستم است و پتانسیل، اگر قانون علامت قبلاً پذیرفته شده برای پتانسیل ها را در نظر بگیریم، فشار است که با علامت مخالف p = - p گرفته می شود.

فرض کنید فشار pn dp افزایش می یابد. سپس یک اندرکنش بین سیستم و محیط ایجاد می شود که در نتیجه پیستون به مقدار -dx حرکت می کند و فشار در سیستم به میزان dp افزایش می یابد و تعادل جدیدی ایجاد می شود.

ایستاده (نگاه کنید به شکل 1.3، ب). همانطور که در مثال قبلی، میزان ضربه در هنگام تغییر شکل سیستم، کار مکانیکی انجام شده بر روی سیستم هنگام تعامل با محیط است:

dQ = dLmech = 0.5 [ pv + (pv + dp)] S(- dx) = - pdV- 0.5 dpdV.

مسیر قدرت متوسط

و باز هم در نتیجه حاصل ضرب پتانسیل داخلی و تغییر مختصات (با توجه به اینکه Sdx = dV، dpdV = 0) دریافت کردیم.

بیایید به مثال دیگری نگاه کنیم و تحلیل کنیم تعامل الکتریکیدر U R ساده ترین مدار الکتریکی(شکل 1.4 را ببینید). پتانسیل در اینجا ولتاژ U منبع جریان است و مختصات تعداد بارهای الکتریکی Q است.

آ در مدار جریان دارد. میزان مواجهه در در این موردکار است

جریان الکتریکی Q = L el = U i τ، جایی که i جریان است، طبق تعریف برابر با عدد است

بارهای الکتریکی در واحد زمان i =∆ Q /τ و بنابراین Q = U ∆ Q . از فرمول قبلی که در مورد یک فرآیند بی نهایت کوچک صحبت می کنیم

جایی که dQ= U dQ.

با جمع‌بندی نتایج مثال‌های در نظر گرفته شده، می‌توان نتیجه گرفت: میزان تأثیر این نوع توسط حاصل ضرب پتانسیل داخلی و افزایش مختصات مربوطه تعیین می‌شود:

dQi = پی dxi .

بنابراین، قانون اول ترمودینامیک (فرمول (1.3)) را می توان به شکل توسعه یافته نوشت

dU = ∑ pi dxi .

i=1

در اکثریت قریب به اتفاق موارد، بزرگی پتانسیل ها و مختصات به راحتی در عمل اندازه گیری می شوند (به استثنای آنتروپی).

1.1.3 سیستم ترمو مکانیکی

هر کدام در نوع خود یک مرد عالی هستند. ضرب المثل روسی

سیستم ترمومکانیکی سیستمی است که در آن فعل و انفعالات حرارتی و مکانیکی می تواند به طور همزمان رخ دهد. آنها به طور گسترده ای در عمل مورد استفاده قرار می گیرند و اساس نیروگاه های حرارتی، تجهیزات تبرید، تجهیزات فشرده سازی و بسیاری از دستگاه های تکنولوژیکی دیگر هستند. به طور کلی، چنین سیستمی شامل: یک منبع گرما،

واقع در محیط، یک عنصر انبساط (به عنوان مثال، یک سیلندر با یک پیستون، یک توربین، و غیره)، یک دستگاه مکانیکی، یک گیرنده گرما در محیط (نگاه کنید به شکل 1.5). ماده ای که سیستم را پر می کند سیال کار نامیده می شود. هوا معمولاً به عنوان سیال کار استفاده می شود. مخلوط های گازیدر حالت گاز ایده آل، بخار آب، بخارات ترکیبات آلی مختلف و غیره. با داشتن تراکم پذیری خوب و انبساط حرارتی بالا، از نظر ترمودینامیکی در مقایسه با سایر مواد مایع یا جامد مطلوب هستند.

منبع گرما و گیرنده می توانند به طور مداوم یا دوره ای کار کنند و این امکان را می دهد تا انواع مختلف ماشین ها با استفاده از یک سیستم ترمومکانیکی ساخته شوند. به عنوان مثال، اجازه دهید سیال عامل گرما را از منبع Q 1 دریافت کند و گرما را به گیرنده Q 2 منتقل کند، کمی کمتر از Q 1. سپس اختلاف Q 1 – Q 2 برای گرم کردن سیال کار استفاده می شود. در نتیجه انبساط حرارتیسیال کار، فشار در سیلندر افزایش می یابد و نیرویی ایجاد می کند که پیستون را کمی به سمت راست حرکت می دهد. در این صورت سیستم کار را انجام می دهد که با استفاده از یک وسیله مکانیکی به محیط منتقل می شود. بنابراین، ما کار را شبیه سازی کردیم موتور گرمایی، که با کمک آن گرما به کار تبدیل می شود.

سیستم ترمومکانیکی نیز امکان تبدیل معکوس را فراهم می کند. تصور کنید که منبع گرما و سینک در ابتدا خاموش بودند (Q 1 =Q 2 = 0). اگر با استفاده از یک وسیله مکانیکی، کاری بر روی سیستم اعمال شود تا پیستون به سمت چپ حرکت کند و سیال کار فشرده شود، در نتیجه در نتیجه تعامل، انرژی داخلی و دمای سیال کار افزایش می یابد. اکنون گیرنده گرما را روشن می کنیم و اجازه می دهیم سیال کار تا دمای اولیه خود خنک شود. سپس سیال کار گرمای Q 2 را به گیرنده می دهد و انرژی داخلی آن همان مقدار را دریافت می کند. این بدان معناست که ما توانستیم کار عرضه شده را به گرما تبدیل کنیم.

بنابراین، سیستم ترمومکانیکی اجازه می دهد تا گرما را به کار تبدیل کند (و بالعکس).

پتانسیل های چنین سیستمی -p و T و مختصات به ترتیب V و S هستند. قانون اول ترمودینامیک (فرمول (1.4)) در این مورد به صورت زیر نوشته خواهد شد

که در آن dQ و dL تعیین گرما و کار برای یک فرآیند تعامل اولیه هستند.

آخرین فرمول درک فرمول شناخته شده از دوره فیزیک مدرسه را آسان می کند، که غیرممکن بودن یک ماشین حرکت دائمی را تأیید می کند. در واقع، برای اینکه یک موتور برای همیشه کار کند، انرژی داخلی سیال عامل آن نباید تغییر کند (یعنی برای یک ماشین حرکت دائمی dU = 0). سپس مشخص می شود که بدون تامین گرما (dQ = 0) کار نمی کنیم (dL = 0 – 0 = 0). آن بخش از ترمودینامیک که فرآیندهای سیستم های ترمومکانیکی را مطالعه می کند، ترمودینامیک فنی نامیده می شود و در نتیجه بر اهمیت نتیجه گیری و روش های محاسباتی به دست آمده در آن برای بسیاری از دستگاه های فنی تاکید می شود.

1.1.4 انرژی داخلی گاز

ما قبلاً انرژی موجود در سیستم را داخلی می نامیدیم و آن را به عنوان مجموع انواع انرژی در اختیار همه ذرات پرکننده سیستم نشان می دادیم. در مورد گازها، اگرچه تا حدودی این مورد برای مایعات و جامدات قابل قبول است، اما توجه می کنیم که مقدار U توسط انرژی جنبشی مولکول های Ekin در طول انتقال، چرخش و آنها تعیین می شود. حرکات نوسانیو همچنین انرژی برهمکنش نیروی بین مولکولی - انرژی پتانسیل مولکول عرق:

U = E kin + E عرق.

انرژی جنبشی مولکول ها به این بستگی دارد سرعت متوسطحرکت و جرم مولکول ها که به ترتیب با پارامترهای درشت Tp (دما و چگالی) گاز متناسب است. مقدار عرق E بستگی به فاصله متوسط ​​بین مولکول ها و جرم آنها دارد. فاصله بین مولکولی با سایرین شرایط برابربا فشار گاز تعیین می شود. بنابراین می توانیم بنویسیم

E kin= f 1 (T, ρ) و E pot= f 2 (p, ρ)،

مبانی مهندسی حرارت رسانایی گرمایی.

رسانایی حرارتی به عنوان یک پدیده فیزیکی، انتقال گرما توسط ریزذرات متحرک تصادفی در تماس مستقیم با یکدیگر است. مولکول ها در گازها و مایعات حرکت می کنند شبکه کریستالیاتم ها در جامدات مرتعش می شوند و الکترون های آزاد در فلزات پخش می شوند. قانون اساسی هدایت حرارتی شامل قانون فوریه است که بر اساس آن

که در آن q1 چگالی شار حرارتی W/m2 است. g - ضریب هدایت حرارتی، W / (m-K)؛ t - دما، K؛ n - مختصات عمود بر سطح انتقال حرارت، m.

یک علامت منفی در سمت راست معادله (1.1) وجود دارد، زیرا بردارهای جریان گرما qt و گرادیان دما dt/dn در جهت مخالف هستند.

ضریب هدایت حرارتی مقدار حرارتی است که از طریق یک واحد سطح در واحد زمان با گرادیان دمایی برابر با واحد منتقل می شود. معادله (1.1) در شرایط ثابت صادق است، زمانی که دما به زمان dt/дn≠0 بستگی ندارد، a

در حالت کلی تر، در شرایط غیر ساکن، زمانی که دما در زمان و مختصات تغییر می کند، یعنی dt/dn≠0 و

انتقال حرارت توسط رسانایی حرارتی با معادله فوریه توصیف می شود:

گرما می تواند در داخل بدن تولید یا جذب شود، مثلاً از طریق واکنش های شیمیایی. در چنین مواردی مشکل با بررسی می شود منبع داخلیگرما (به ترتیب مثبت یا منفی) و معادله (1.2) به معادله تبدیل می شود

جایی که Iq منبع گرما است، J/(m3-s).

ضریب انتشار حرارتی a مشخصه خصوصیات اینرسی جسم به دلیل انتشار گرما توسط هدایت حرارتی است. جسمی با a بزرگتر سریعتر گرم و سرد می شود.

ضریب هدایت حرارتی یک ماده مرطوب - ضریب هدایت حرارتی معادل - یک مقدار جمعی است:

که در آن lc ضریب هدایت حرارتی اسکلت جامد خشک ماده است. Lkond ضریب هدایت (رسانایی حرارتی) مخلوط مایع و بخار و هوا در حالت ساکن (بی حرکت) در منافذ ماده است. lkonv - ضریب مشخص کننده انتقال حرارت به دلیل همرفت هوا در داخل مواد. ll - ضریب هدایت حرارتی تابشی؛ ln - ضریب مشخص کننده انتقال حرارت به دلیل انتقال جرم (رطوبت) داخل ماده.

نشانه هایی وجود دارد که وقتی قطر منافذ کمتر از 0.5 میلی متر است، مقادیر lconv و ll را می توان نادیده گرفت.

هدایت حرارتی محصولات غذایی به خوبی در قالب مقادیر leq بررسی شده است و a در قالب جداول و فرمول های محاسباتی در ادبیات مرجع ارائه شده است.

دستگاه های مولد حرارت

اطلاعات کلیدر مورد تجهیزات حرارتی

در اغلب موارد، هنگام تهیه غذا، غذا را آب پز، سرخ شده، خورشتی، یعنی. تحت عملیات حرارتی قرار می گیرند. محصولات تحت تأثیر مقدار معینی از گرما، خواص فیزیکی و شیمیایی خود را تغییر می دهند: چربی ها ذوب می شوند، پروتئین ها منعقد می شوند، طعم، رنگ، بو و 1 لیتر تغییر می کنند، علاوه بر این، تحت تأثیر تغییر می کنند. درجه حرارت بالامیکرو فلور بیماری زا در محصولات فرآوری شده از بین می رود.

در طول عملیات حرارتی، انتقال خود به خودی گرما از منبع آن به محصول گرم شده وجود دارد، زیرا منبع گرما همیشه گرمتر از محصول است.

منابع حرارتی در دستگاه ها می تواند سوخت، برق و خنک کننده باشد. در عمل، خنک کننده های اصلی مورد استفاده بخار، آب و روغن هستند. روش های اصلی فرآوری حرارتی محصولات غذایی جوشاندن و سرخ کردنی است. پخت و پز محصولات را می توان به روش های مختلفی انجام داد، در یک محیط مایع، اتوکلاو و در ظروف با فشار کاهش یافته. همه انواع پخت و پز با دو مرحله، حرارت دادن سریع مشخص می شود محیط مایعو حرارت کم در برخی موارد از حرارت انباشته شده و پخت و پز با بخار داغ استفاده می شود.پخت محصولات با بخار داغ در نتیجه تماس بخار اشباع با محصول در حال فرآوری انجام می شود.

فرآیند سرخ کردن غذا بدون افزودن یک محیط مایع انجام می شود. سرخ کردن محصولات در یک ظرف کم عمق - یک ماهیتابه و در چربی عمیق انجام می شود، زمانی که محصول به طور کامل در چربی داغ قرار می گیرد.

در موسسات پذیرایی از روش های کمکی عملیات حرارتی محصولات نیز استفاده می شود. این موارد عبارتند از: خورش، جوشاندن، پختن، و همچنین فرآوری محصولات با فرکانس فوق العاده بالا و حرارت مادون قرمز.

یک روش جدید برای عملیات حرارتی محصولات، پردازش آن در میدان الکترومغناطیسی با فرکانس فوق العاده بالا است. در چنین مواردی، محصولات در کل حجم گرم می شوند. لازم به ذکر است که میدان CB فقط غذا را گرم می کند و محفظه کار، ظروف و هوا گرم نمی شود. گرمایش با مایکروویو نسبت به روش های سنتی پخت غذا مزیت زیادی دارد. زمان پخت 10 برابر کاهش می یابد و برای اکثر محصولات بیش از 5 دقیقه نیست. به طور قابل توجهی بهبود یافته است کیفیت های طعمو ظاهر محصولات آماده شده. باید به یاد داشته باشیم که در دستگاه مایکروویو از ظروف ساخته شده از دی الکتریک استفاده می کنند، یعنی. شیشه، چینی، پلاستیک و سرامیک. استفاده از ظروف فلزی اکیدا ممنوع است، زیرا... ژنراتور این دستگاه را غیرفعال می کند.

مفهوم انتقال حرارت

انتقال حرارت از یک محیط به محیط دیگر را انتقال حرارت می گویند. دو نوع اصلی انتقال حرارت وجود دارد: تماس و تابش. انتقال حرارت از طریق تماس به این صورت است که گرما از یک جسم، که بیشتر گرم می شود، مستقیماً از طریق تماس به جسم دیگر منتقل می شود، کمتر گرم می شود. انتقال حرارت توسط تشعشع با تبدیل مضاعف انرژی همراه است. انرژی حرارتی یک سطح گرم تر به انرژی تابشی تبدیل می شود که از فضا عبور می کند و روی سطح گرم تر می افتد. سطح سرددوباره به انرژی حرارتی تبدیل می شود. چنین انتقال حرارت، به عنوان مثال، توسط لامپ اتفاق می افتد اشعه مادون قرمزیا پختن شیشلیک روی گریل. تبادل حرارت در مایعات و گازها را همرفت می گویند. این زمانی است که لایه‌های پایینی مایع گرم می‌شوند، به سمت بالا بالا می‌روند، گرما را منتقل می‌کنند و لایه‌های کمتر گرم شده پایین می‌آیند، یعنی. اختلاط لایه های گرم شده و گرم نشده رخ می دهد.

تبادل حرارت درون اجسام هدایت حرارتی نامیده می شود. هنگامی که کف ظروف فلزی گرم می شود، دیواره های آن به سرعت گرم می شود.ظروف و دستگاه های ساخته شده از دی الکتریک ضریب هدایت حرارتی بسیار پایین تری نسبت به فلزی دارند.

گرما و ترکیب آن

در فناوری، سوخت یک ترکیب آلی پیچیده است که می تواند مقدار قابل توجهی انرژی حرارتی را هنگام سوزاندن آزاد کند. سوخت بر اساس وضعیت فیزیکی آنها به جامد، مایع و گاز تقسیم می شود. سوخت جامد شامل هیزم، ذغال سنگ نارس، زغال سنگ و شیل است. سوخت های مایع شامل نفت و مشتقات آن - بنزین، نفت سفید، نفت کوره و روغن گرمایشی است. سوخت های گازی شامل گازهای طبیعی و مصنوعی است. ترکیب سوخت شامل عناصر قابل احتراق و غیر قابل اشتعال است. عناصر قابل احتراق عبارتند از کربن، هیدروژن، گوگرد. عناصر غیر قابل احتراق عبارتند از نیتروژن، خاکستر و رطوبت. اکسیژن یک عنصر قابل اشتعال نیست، اما از این فرآیند پشتیبانی می کند.

سوخت جامد. زغال سنگ یک سوخت پر کالری است، دارای محتوای کربن بالا، رطوبت کم و مقدار کمی است مواد فرار.

هیزم به دلیل ارزش حرارتی کم، سوخت محلی محسوب می شود. بازده مواد فرار زیاد است که اشتعال پذیری خوبی به هیزم می دهد. محتوای خاکستر چوب ناچیز است.

ذغال سنگ نارس تجزیه ناقص است مواد آلیمنشا گیاهی با رطوبت بیش از حد و دسترسی بسیار کم به هوا.

شیل نفتی یک سوخت کم کالری است که استفاده از آن پس از فرآوری و در نزدیکی سایت های معدن توصیه می شود.

سوخت مایع - سهم اصلی سوخت مایع نفت کوره است که از پالایش نفت به دست می آید. محتوای کربن و هیدروژن بالایی دارد. هنگام سوزاندن، ارزش حرارتی بالایی دارد.

سوخت گازی - به عنوان سوخت از قوطی های قابل احتراق طبیعی و مصنوعی استفاده می شود که از نظر کیفیت نسبت به انواع دیگر برتری دارند. گازهای طبیعیاستخراج شده از میادین گازی یا اتفاقاً از میادین نفتی. گازهای مصنوعی شامل کوره بلند، کوره کک و گاز مایع است. مزایای اصلی سوخت گازیعبارتند از: راندمان بالای وسایل گازسوز، امکان استفاده از دستگاه های اتوماتیک که شرایط حرارتی را تنظیم می کنند و اقدامات احتیاطی ایمنی را در حین کار دستگاه های حرارتی گاز تضمین می کنند. استفاده از گاز باعث بهبود استانداردهای تولید، شرایط بهداشتی و بهداشتی کار و حذف آلودگی هوا می شود. شهرک هادوده و دود

سوخت گازدارد و خواص منفی. در روابط خاصی با هوا، مخلوطی انفجاری تشکیل می دهد. این گاز سمی است و بنابراین حمل نادرست گاز منجر به حوادث می شود.

با این حال، راحت ترین و بهداشتی ترین تجهیزات گرمایش الکتریکی است. در حال حاضر، در موسسات پذیرایی عمومی، بیش از 90 درصد تمام تجهیزات گرمایشی با برق کار می کنند. مزایای تجهیزات الکتریکی در مقایسه با دستگاه های دارای سایر منابع حرارتی عبارتند از: سهولت نگهداری، شرایط کاری بهداشتی و بهداشتی خوب و کاهش خطر آتش سوزی، قابلیت کارکرد دستگاه ها در حالت خودکار و راندمان بالاتر.

مفهوم فرآیند احتراق

فرآیند احتراق سوخت بر اساس واکنش شیمیایی ترکیب اکسیژن هوا با عناصر سوخت قابل احتراق است. احتراق سوخت فرآیند اکسیداسیون سریع بخش قابل احتراق سوخت است که مقدار قابل توجهی گرما آزاد می کند. بخشی از گرما صرف حفظ دمای بالای سوخت می شود که بدون آن احتراق غیرممکن است. احتراق سوخت به شرط وجود جریان هوای کافی به آن و گرم شدن سوخت تا دمای اشتعال امکان پذیر است. احتراق سوخت می تواند کامل یا ناقص باشد. احتراق ناقص تولید می کند مونوکسید کربنو در این حالت بیش از 1/3 از کل مقدار گرمایی که می تواند در حین احتراق کامل سوخت آزاد شود آزاد نمی شود. هنگامی که کربن به طور کامل می سوزد، دی اکسید کربن تشکیل می دهد، هیدروژن به آب تبدیل می شود و بیشترین مقدار گرما آزاد می شود. گاز فقط باید در هنگام حرکت سوزانده شود. اگر مخلوط گاز و هوا در حالت استراحت باشد، احتراق فوراً به شکل انفجار رخ می دهد. یک ویژگی کیفی مهم سوخت، گرمای احتراق یا ارزش حرارتی آن است - مقدار گرمایی بر حسب کیلو کالری که توسط یک وزن (1 کیلوگرم) یا حجم (1 متر مکعب) واحد سوخت در طی احتراق کامل آزاد می شود. گرمای احتراق انواع مختلف سوخت یکسان نیست، بنابراین برای مقایسه انواع مختلف سوخت و حل مسئله جایگزینی یک نوع سوخت با نوع دیگر، مفهوم "سوخت متعارف" معرفی شد. منظور از سوخت استاندارد، سوختی است که ارزش حرارتی آن 7000 کیلو کالری بر کیلوگرم است.

اقدامات صرفه جویی در مصرف سوخت

انتخاب مقرون به صرفه ترین نوع سوخت و دستگاه گرمایشی مناسب برای پخت و پز یکی از راه های موثر در کاهش هزینه ها است و به کاهش هزینه غذا کمک می کند.

اقدامات سازمانی و فنی برای صرفه جویی در مصرف سوخت، گرما و برق در تمام موسسات پذیرایی عمومی در حال توسعه است. موضوعات اصلی این رویداد برای صرفه جویی در منابع سوخت و انرژی عبارتند از:

حفظ کنترل بر عقلانی و استفاده اقتصادیمنابع سوخت و انرژی و تجزیه هر یک از تجهیزات شرکت؛

نظارت سیستماتیک از وضعیت فنی تجهیزات؛

روشن و خاموش کردن به موقع تجهیزات با در نظر گرفتن غیرقابل قبول بودن کارکرد آنها در ساعات غیر کاری.

انجام تمیز کردن سیستماتیک ژنراتورهای بخار، مخازن، پمپ ها، لوله ها یا کویل های آبگرمکن از تشکیل رسوب.

افزایش بار در حجم کار تجهیزات در حین کار؛

گرمایش غیرمستقیم عبارت است از انتقال گرما از طریق یک محیط میانی (ژاکت آب-بخار دیگ). با توجه به هدف فن آوری، تجهیزات گرمایش به جهانی (اجاق برقی) و تخصصی (قهوه ساز، نانوا) تقسیم می شوند.

بر اساس منابع گرمایی، تجهیزات گرمایشی به برق، گاز، آتش و بخار تقسیم می شوند.

دستگاه های حرارتی را نیز می توان با توجه به اصل عملکرد - عمل مداوم و دوره ای طبقه بندی کرد.

با توجه به درجه اتوماسیون، دستگاه های حرارتی به دستگاه های غیر خودکار که توسط یک کارگر خدمات کنترل می شود، و دستگاه های خودکار تقسیم می شوند که کنترل عملکرد ایمن و حالت عملیات حرارتی توسط خود دستگاه حرارتی با استفاده از دستگاه های اتوماسیون ارائه می شود.

در موسسات پذیرایی عمومی می توان از تجهیزات گرمایشی به صورت غیر مقطعی یا مقطعی مدوله شده استفاده کرد.

تجهیزات غیر مقطعی تجهیزاتی هستند که در اندازه، طراحی و طراحی معماری متفاوت هستند. چنین تجهیزاتی فقط برای نصب و بهره برداری انفرادی در نظر گرفته شده است، بدون اینکه با انواع دیگر تجهیزات قفل شود. تجهیزات غیر مقطعی برای نصب آن نیاز به فضای تولید قابل توجهی دارد، زیرا تعمیر و نگهداری چنین تجهیزاتی از همه طرف انجام می شود.

در حال حاضر، صنعت در حال تسلط بر تولید سریال تجهیزات مدوله شده مقطعی است که استفاده از آن در موسسات پذیرایی عمومی بزرگ توصیه می شود. مزیت تجهیزات مدوله شده سکشنال این است که به صورت مقاطع مجزا تولید می شود که می توان خطوط تولید مختلفی را از آنها مونتاژ کرد. تجهیزات مدوله شده سکشنال دارای ابعاد یکنواخت در طول، عرض و ارتفاع هستند. چنین تجهیزاتی به صورت خطی در امتداد محیط یا در مرکز اتاق نصب می شوند و بخش نصب شده به افزایش بهره وری نیروی کار و فرهنگ عمومی در تولید کمک می کند.

GOST ها برای انواع دستگاه های حرارتی ایجاد و تأیید شده اند که برای همه کارخانه ها و شرکت های مرتبط با تولید یا بهره برداری تجهیزات اجباری است.

GOST اطلاعات مربوط به دستگاه را مشخص می کند: نام دستگاه و نمایه سازی آن، پارامترها، الزامات ایمنی، امنیت و بهداشت صنعتی، کامل بودن، و همچنین الزامات حمل و نقل، بسته بندی و ذخیره سازی.

تمامی دستگاه های حرارتی دارای نمایه سازی الفبایی عددی هستند که حرف اول آن مربوط به نام گروهی است که این دستگاه حرارتی به آن تعلق دارد. به عنوان مثال: دیگ بخار - K، کابینت - W،

اجاق گاز - P و غیره حرف دوم مربوط به نام نوع تجهیزات است: غذاساز - P، پیوسته - N و غیره. حرف سوم مربوط به نام خنک کننده است: الکتریکی - E، گاز - G و غیره. اعداد پارامترهای اصلی تجهیزات حرارتی را نشان می دهد. به عنوان مثال: KPP-160 دیگ هاضم بخار با ظرفیت 160 لیتر است.