Электротехнологические установки и системы. Теплопередача в электротехнологии. Упражнения и задачи

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ»

д-р техн, наук, проф. (председатель) Н. В. Пустовой
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя) ГИ Расторгуев

д-р техн. наук, проф. А.А. Батаев
д-р техн. наук, проф. А.Г Вострецов
д-р техн. наук, проф. В.И. Гужов
д-р техн. наук, проф. В.А. Гридчин
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г Дубровский
д-р экон. наук, проф. К.Т Джурабаев
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев
д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков
д-р техн. наук, проф. В.Н. Максименко
д-р техн. наук, проф. ХМ. Рахимянов
д-р техн. наук, проф. Ю.Г Соловейчик
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор
д-р экон. наук, проф. В А. Титова
д-р техн. наук, проф. А. Ф. Шевченко
д-р техн. наук, проф. Н.И Щуров

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ УПРАЖНЕНИЯ И ЗАДАЧИ

Под редакцией доктора технических наук, профессора В. С. Чередниченко', доктора технических наук, профессора А.И. Алиферова

Издание второе, переработанное и дополненное

Допущено УМО по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 140605 «Электротехнологические установки и системы», направления подгютовки 140600<<Электротехника, электромеханика и электротехнологии»





НОВОСИБИРСК
2011

УДК 621.365(075.8)
     Э 455



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. ВЛ. Рубцов', д-р техн. наук, проф. А.Б. Кувалдин, д-р техн. наук, проф. Г.В. Ноздренко; д-р техн. наук, доцент Ю.В. Дьяченко





Э 455 Электротехнологические установки и системы. Теплопередача в электротехнологии. Упражнения и задачи : учеб. пособие для вузов / В.С. Чередниченко, В.А. Синицын, А.И. Алиферов, В.А. Тюков, Ю.И. Шаров; под ред. В.С. Чередниченко, А.И. Алиферова. - 2-е изд., перераб. и дополн. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2011.- 571 с. (Серия «Учебники НГТУ»).

         ISBN 978-5-7782-1813-0

           Учебное пособие посвящено изложению основ теории и расчетам теплопередачи в электротехнологических установках и системах и содержит две части. В первой части даны основные положения теории теплопроводности, конвективного теплообмена, теплопередачи при фазовых превращениях, теплообмена излучением и сложного теплообмена. Во второй части рассмотрены примеры и методические приемы использования теории теплопередачи для решения конкретных задач, встречающихся в инженерной и научно-технической практике при расчетах электро- и теплоэнергетических устройств.
           Книга предназначена для подготовки кадров по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» специальности «Электротехнологические установки и системы» и может быть полезна бакалаврам, магистрантам и аспирантам теплоэнергетических, электротехнических и машиностроительных специальностей.







                                                   © Коллектив авторов, 2011
© Новосибирский государственный


технический университет, 2011


УДК 621.365(075.8)

ISBN 978-5-7782-1813-0

ELECTROTECHNICAL INSTALLEATIONS AND SYSTEMS



HEAT TRANSFER IN ELECTROTECHNICS

EXERCISES AND PROBLEMS



Edited by
Prof. V.S. Cherednichenko, D.Cs. (Eng.)
Prof. A.I. Aliferov, D.Sc. (Eng.)


Second edition revised and supplemented


Approved by the Educational and Methodological Department in the field ofpower engineering and electrotechnics as a teaching aid for university students specializing in «Electrotechnical Installations and Systems» (9140605) within thedirection «ЕlectricalEngineering, Electromechanics andElectrotechnics» (140600)





NSTU NOVOSIBIRSK 2011

UDC 621.365(075.8) E455



Reviewers:

Prof. V.P. Rubtsov, D.Sc. (Eng.)
Prof. A.B. Kuvaldin, D.Sc. (Eng.)
Prof. G.V. Nozdrenko, D.Sc. (Eng.) Assoc. Prof. Yu.V. D’yachenko, D.Sc. (Eng.)




E455 Elerctrotecnical Installations and Systems. Heat Transfer in Electrotechnics. Exercises and problems: teaching aid for universities / V.S. Cherednichenko, V.A. Sinitsyn, A.I. Aliferov, V.A. Tyukov, Yu.I. Sharov; edited by V.S. Cherednitcenko, A.I. Aliferov. - Second edition, revised and supplemented. - Novosibirsk : NSTU Publisher, 2011. - 571 pp. («NSTU textbooks» series).

          ISBN 978-5-7782-1813-0

             The teaching aid is designed to expound the theoretical basics and calculations of heat transfer in electrotechnical installations and systems. It consists of two parts. The first part presents the main propositions of the theory of heat transfer, convective heat exchange, phase transformation heat transfer, radiation heat transfer and complex heat transfer. The second part deals with examples and methods of applying the theory of heat transfer for solving specific problems encountered in electrical engineering practice in calculating parameters of electric and heat engineering units.
             The book is aimed to train students in the direction «Electrical Engineering, Electromechanics and Electrotechnics» specializing in «Electrotechnical Installations and Systems» and may be of use for undergraduate, graduate and postgraduate students of these majors as well as mechanical engineering students.









                                                        © Composite authors, 2011
                                                        © Novosibirsk State

Technical University, 2011


UDC 621.365(075.8)

ISBN 978-5-7782-1813-0

        ПРЕДИСЛОВИЕ

    (Л/"чебное пособие «Электротехнологические установки и системы. Теи плопередача в электротехнологии. Упражнения и задачи» предназначено для изучения основных положений теории теплопередачи, включая теплопроводность, конвективный теплообмен, теплообмен при фазовых превращениях и теплообмен излучением.
    К началу изучения курса «Теплопередача» студенты уже ознакомились с основными разделами физики, термодинамики, электротехники и материаловедения и поэтому имеют базу для понимания того, что тепловые процессы, развивающиеся в любой промышленной установке, определяют ее рабочие режимы, энергетическую эффективность, срок службы и надежность эксплуатации. Теплопередача как научное направление является основой для развития любых видов устройств, в том числе техники получения и использования тепловой и электрической энергии в промышленном производстве. Особо велико ее значение для оборудования, в котором выделение теплоты является определяющим для проведения различных технологических процессов. При этом существуют безвозвратные тепловые потери, которые являются ограничивающим фактором при оптимизации конструкций и определении энергетической эффективности электротехнологических устройств.
    В первой части учебного пособия рассмотрены основные положения классической теории теплопередачи, в том числе касающиеся процессов передачи энергии за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Во второй части даны примеры использования законов теплопередачи для решения конкретных задач, встречающихся в инженерной и научно-технической практике. Центральное место в решении задач отводится расчетным формулам, критериальным соотношениям, вытекающим из теории физического подобия тепловых процессов. Однако использованию расчетных формул должны предшествовать анализ протекающих процессов, развивающихся в конкретной инженерной задаче, принятие решения о возможности расчленения задачи на составляющие расчетные части или обоснование необходимости решения в сопряженном варианте теплообмена.
    Учебное пособие не следует воспринимать как очередной справочник для отыскания формул, подстановки чисел и получения количественного результата.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Необходимо развивать умение использовать теорию теплопередачи для создания новой техники, особенно в приложении к электротехнологическим установкам, не имеющим набора готовых решений, формул и рекомендаций. В этих случаях теоретический анализ физических задач является методом и интеллектуальным инструментом обоснования математического описания и получения решений частных и общих задач прикладного характера.
    Содержащиеся в книге задачи и примеры расчетов имеют часто иллюстрационный учебный характер и поэтому крайне просты по задаваемым условиям. Это сделано преднамеренно для обучения применению теоретических положений к конкретным задачам.
    Для специалистов, занимающихся электротехнологическим или энергетическим направлением деятельности, теплопередача, как правило, имеет определяющее значение для оценки температурных условий протекания теплообмена и эффективности работы рассматриваемых технических систем. Поэтому конечный результат изучения теории теплопередачи необходимо рассматривать в виде балансовых энергетических уравнений, включающих теплообмен в рабочем пространстве и тепловую защиту этого высокотемпературного пространства. Для электротехнических устройств возникают задачи эффективного охлаждения, так как джоулев нагрев токонесущих проводников ограничивает использование конструкционных материалов. Этот второй тип инженерных задач определяет величину вводимой в техническое устройство электрической энергии и также решается на основе балансовых энергетических уравнений.
    Для проведения расчетов в приложении приведены свойства материалов, используемых в электротехнологических установках (см. приложение, табл. П1-П4), примеры выполнения футеровок из пористых и волокнистых материалов (см. приложение, табл. П5 и П6), физические свойства трансформаторного масла, газов и воды (см. приложение, табл. П7-П9), степени черноты интегрального излучения различных веществ (см. приложение, табл. П.10), вспомогательные таблицы и графики для расчета нагрева (охлаждения) пластин и цилиндров (см. приложение, табл. П11 и П12, рис. П1-П4) и зависимости средних коэффициентов теплоотдачи в печи от ее температуры (см. приложение, рис. П5).
    При написании книги авторы использовали свой опыт преподавания курса теплопередачи в Новосибирском государственном техническом университете.
    Авторы признательны д-ру техн. наук, проф. В.П. Рубцову, д-ру техн. наук, проф. А.Б. Кувалдину, д-ру техн. наук, проф. Г.В. Ноздренко и д-ру техн. наук, доценту Ю.В. Дьяченко за ценные рекомендации, сделанные в процессе рецензирования учебного пособия.

ОБОЗНАЧЕНИЯ, НАИМЕНОВАНИЯ
И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ВЕЛИЧИН


г         - радиус, м
d        - диаметр, м
i          - длина, м

5          -  толщина, м
h          -  высота, м
F          -  площадь поверхности, м²
.S’,       -  площадь поперечного сечения, м²
S          -  энтропия, Дж/К

т         - время, ч, с
w         - скорость движения среды, м/с
t         - температура, °C
           - температура, К
tс        - температура поверхности твердого тела, °C
tₓ        - температура среды, участвующей в теплообмене, °C
tH        - начальная температура нагрева, °C
Q         - тепловой поток, Вт
Qт        - теплота, Дж
q         - плотность теплового потока, Вт/м²
qₜ        - тепловой поток на единицу длины, Вт/м
//.       - объемная плотность энергии, Дж/м³
qᵥ        - мощность внутренних источников теплоты, Вт/м³
I         - электрический ток, А
U         - напряжение, В
рж        - коэффициент динамической вязкости среды, Па • с
\'ж       - коэффициент кинематической вязкости среды, м²/с
а         - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² • К)
к         - коэффициент теплопередачи, Вт/(м² • К)
л         - теплопроводность, Вт/(м • К)
X         - средняя теплопроводность, Вт/(м • К)
Сир       - приведенный коэффициент лучеиспускания, Вт/(м² • К⁴)
s         - степень черноты
С         - теплоемкость, Дж/К
ср        - изобарная теплоемкость среды, Дж/(кг • К)
с         - удельная теплоемкость, Дж/(кг • К)
X,        - постоянная Больцмана, Дж/К

ОБОЗНАЧЕНИЯ, НАИМЕНОВАНИЯ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

р           - давление среды, Па                                
СУ          - изохорная теплоемкость, Дж/(кг • К)               
т           - масса, кг                                         
М           - масса молярная газа, кг/моль                      
G           - расход среды, участвующей в теплообмене, кг/с     
i           - энтальпия, Дж                                     
Р           - плотность, кг/м3                                  
а           - коэффициент температуропроводности, м2/с          
s           - ускорение свободного падения, м/с2                
J           - плотность тока, А/м2                              
R?          - термическое сопротивление, м2 • К/Вт              
R           - электрическое сопротивление, Ом                   
Pa          - активная мощность, Вт                             
Рэ          - удельное электросопротивление, Ом • м             
A U         - изменение внутренней энергии в единицу времени, Вт
Цо = 4ю1О-7 - магнитная постоянная, Гн/м                        
Ц г         - относительная магнитная проницаемость             
н           - напряженность магнитного поля, А/м                
Уэ=1/р      - удельная электропроводимость, (Ом • м)-1          
5а          - активная составляющая вектора Пойнтинга, Вт/м2    
О           - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2 • К4)        
лв          - длина волны излучения, м                          
f           - частота волны излучения, Гц                       
Съ          - скорость распространения волны излучения, м/с     
R           - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль • К)   
Аг          - критерий (число) Архимеда                         
Bi          - критерий (число) Био                              
Ей          - критерий (число) Эйлера                           
Fo          - критерий (число) Фурье                            
Fr          - критерий (число) Фруда                            
Gr          - критерий (число) Грасгофа                         
Ko          - критерий (число) Коссовича                        
Nu          - критерий (число) Нуссельта                        
Pe          - критерий (число) Пекле                            
Рг          - критерий (число) Прандтля                         
Re          - критерий (число) Рейнольдса                       
Sh          - критерий (число) Струхаля                         
St          - критерий (число) Стэнтона                         
Bu          - критерий (число) Бугера