Гидродинамика и тепломассообмен

1.

ГИДРОДИНАМИКА
И
ТЕПЛОМАССООБМЕН
Богословская Галина Павловна
1

2.

Литература
П.Л.Кириллов, Г.П.Богословская
ТЕПЛОМАССООБМЕН В ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ,
1-е и 2-е издания
П.Л. Кириллов, Ю.С.Юрьев, В.П.Бобков
СПРАВОЧНИК ПО ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИМ РАСЧЕТАМ
Б.С.Петухов, Л.Г.Генин, С.А.Ковалев
ТЕПЛОМАССООБМЕН В ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
П.Л.Кириллов
СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ЯДЕРНОЙ ТЕХНИКИ
В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
2

3.

Программа курса
семестр
Лекции
6, 7
Практические занятия
6, 7
Домашнее задание
6, 7
Компьютерное тестирование
6, 7
Контрольная работа
6, 7
Зачет
6
Лабораторные работы
7
Экзамен
7
3

4.

Структура курса
1
2
3
4
5
6
Физические основы процессов переноса тепла и массы
Тепловыделение в ядерных реакторах
Теплопроводность при стационарных процессах
Нестационарные процессы теплопроводности
Конвективный тепло-массообмен в однофазных средах
Процессы диффузии
7 Конденсация
8 Кипение
9 Гидродинамика и теплообмен двухфазных потоков
10 Кризисы теплообмена при кипении в каналах
11 Теплообмен излучением
12 Сложный теплообмен
13 Принципы расчетов активных зон ядерных реакторов
14 Особенности процессов теплообмена в различных
режимах работы реактора
15 Процессы теплообмена при аварийных ситуациях
16 Основы расчета теплообменников и парогенераторов
4

5.

Первый закон термодинамики – показывает в каких
количествах один вид энергии переходит в другой
для замкнутой системы Q А dU
d
Q – количество тепла, Вт
A - работа, произведенная в единицу времени, Вт
U - внутренняя энергия системы, Дж
- время, сек
5

6.

Первый закон термодинамики
dV dU
Q p
d d
изохорный процесс V=const
cv
dU
dT
Q
mcv
d
d
- теплоемкость при постоянном объеме, Дж/(кг.К)
изобарный процесс Р=const
cp
А - работа
dH
dТ
Q
mc p
d
d
- теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг.К)
Если жидкость несжимаема
cv c p
6

7.

Первый закон термодинамики
энтальпия
H U PV
энтропия
dQ
ds
T
ds
dV du
T
p
d
d d
Q
A
7

8.

Второй закон термодинамики –
указывает направление переноса тепла
Если в среде возникла разность температур, то
энергия переносится из области высокой
температуры в область низкой температуры.
8

9.

Основные понятия
Теория теплообмена дополняет первый и второй законы
термодинамики и дает возможность найти скорости переноса
тепла в средах, которые рассматриваются как сплошные (не
имеющие структуры)
Феноменологический метод - упрощение, связанное с
представлением о среде, как о непрерывном веществе без
какой либо структуры
9

10.

Основные понятия
теплообмен
тепло – массо - обмен
При соприкосновении двух тел (сред), имеющих разную
температуру, происходит обмен энергией (теплом).
Перенос тепла часто сопровождается переносом массы
Три механизма теплообмена:
теплопроводность;
конвективный теплообмен;
тепловое излучение
10

11.

Основные понятия
теплопроводность – перенос тепла посредством передачи
энергии теплового движения частиц в среде;
в газах - диффузия молекул и атомов,
в жидкостях и твёрдых телах-неметаллах –упругие волны.
металлах - диффузия свободных электронов, роль упругих
колебаний кристаллической решётки второстепенна.
11

12.

Основные понятия
Конвективный теплообмен – перенос тепла при
перемещении среды в пространстве.
При этом перенос теплоты осуществляется
одновременно конвекцией и теплопроводностью.
12

13.

Основные понятия
тепловое излучение – распространение энергии
электромагнитными волнами
Электромагнитные волны - электромагнитные возмущения,
распространяющиеся в вакууме со скоростью света
с=2,9979×108м/с.
При поглощении электромагнитных волн какими-либо другими
телами они вновь превращаются в энергию теплового движения
молекул.
13

14.

Аналогия трех механизмов переноса
1 – перенос тепла без участия среды (тепловое излучение в вакууме)
2 – перенос через неподвижную среду (теплопроводность)
3 – перенос при перемещении среды (конвективный теплообмен) 14

15.

Основные понятия
1. Температурное поле
- совокупность значений температуры в точках исследуемой
области
t x, y , z 0
t x , y , z, 0
стационарное
нестационарное
2. Изотермическая поверхность
- совокупность точек пространства, имеющих одинаковую
температуру
.
t
t
3. Градиент температуры gradt i
j
k
x
y
t
z
i, j, k – единичные векторы
15

16.

Основные понятия
4. Количество тепла
Q, Вт
5. Плотность теплового потока
dQ
q
dF
Q
Вт/м2
q1 q2
q f (r )
q1 q2
ql1 ql 2
6. Линейный тепловой поток:
dQ
ql
, Вт/м
dl
16

17.

Основные понятия
7. Объемное тепловыделение,
интенсивность внутренних источников тепла
Q
Q
qv
V d 2
l
4
, Вт/м3
Q qv V q F ql l
d 2
l
4
d l
• пропускается ток
• изготовлен из
делящегося материала
17

18.

Основные понятия
8. Закон Фурье (процесс теплопроводности):
q λ grad t
cледствие 2-го начала термодинамики
(разные направления теплового потока
grad t
и градиента t)
скорость распространения тепла бесконечна
Wq >>Wt
Wq - скорость распространения тепла;
Wt - скорость изменения температуры
- коэффициент теплопроводности, Вт/(м К), физическое свойство
среды, характеризует способность тела проводить тепло
18

19.

Основные понятия
Атомный взрыв:
Wq <<Wt
q
t
λ
q λ
n c W q2
с, - теплоемкость среды, Дж/кгК;
- плотность среды, кг/м3;
- время
r - время релаксации
Вт кг К м с
с
2
м К Дж кг м
Если r <<1, то получаем классическое уравнение Фурье
3
λ
a
c
2
Вт кг К м 3 м 2
a
м К Дж кг
с
температуропроводность, м2/с
скорость изменения температуры в теле
19

20.

Основные понятия
Теплоотдача (конвективный теплообмен) - процесс переноса
тепла от охлаждаемой поверхности к теплоносителю (жидкость
или газ) или от теплоносителя к нагреваемой поверхности
9. Закон Ньютона - Рихмана (конвективный теплообмен):
Q (t w t f ) F
F - поверхность тела,
tw – температуры стенки,
tf – температуры теплоносителя,
- коэффициент теплообмена (теплоотдачи), Вт/(м2.К)
W , t f , , c p , ,..., 1 , 2 ,...
20

21.

Основные понятия
10. Теплопередача - перенос тепла от одного (греющего)
теплоносителя к другому (нагреваемому) через твердую стенку
2
1
I
Конв
II
Теплопров
III
Конв
1
(t f 1 t w1 ) q
1
q (t w1 t w 2 ) (t w1 t w 2 ) q
1
q 2 (t w 2 t f 2 ) (t w 2 t f 2 ) q
2
q 1 (t f 1 t w1 )
æ 1 1 ö
(t f 1 t f 2 ) q ç ÷
è 1 2 ø
Термические сопротивления
21

22. Основные понятия

Термические сопротивления
R1 1 1
R2
R3 1 2
конвективное со
стороны 1
кондуктивное
(стенки)
конвективное
со стороны 2
полное термическое сопротивление
1 1
R R1 R2 R3
1 2
коэффициент
теплопередачи
1
2
Вт/(м
К)
k
RT
k численно равен
плотности теплового
потока,
передаваемого через
стенку при
температурном
напоре равном
одному градусу.
22

23. Основные понятия

q
(t f 1 t f 2 )
æ 1
1 ö
çç
÷÷
è 1 2 ø
q k (t f 1 t f 2 )
23

24.

Электро-тепловая аналогия
Закон Ома для участка электрической цепи
I
U
Rэ
U i I Riэ
Аналогия:
q
t
RT
ti q RTi
I q
U t
Rэ RТ
24

25. Многослойная плоская стенка

T
Полное термическое
сопротивление
дерево металл бетон
T1
1 n i
R
k i 1 i
T2<T1
плотность теплового потока
q k T1 T2
T1, T2 – температуры на стенки
разность температур в слое
q
Д М Б
x
Д М , Б М
i
ti qRi q
i
25

26. Греческий алфавит

альфа
бета
гамма
дельта
эпсилон
дзета
эта
тета
йота
каппа
лямбда
мю
ню
кси
омикрон
пи
ро
сигма
тау
ипсилон
фи
хи
пси
омега