19964

Пастановка задачи о радиальном распределении температуры в облучательном устройстве при отсутствии утечек тепла в торцы

Лекция

Физика

Поставить и решить задачу о радиальном распределении температуры в облучательном устройстве при отсутствии утечек тепла в торцы. Обратить внимание на то, что для этого случая можно получить аналитическое решение, пригодное для оценочных расчетов радиального поля температуры по элементам облучательного устройства, тепловой изоляции или определения местоположения и мощности нагревателя для создания нужного температурного режима на облучаемом образце.

Русский

2013-08-13

31.07 KB

1 чел.

Конспект занятия 12.

Цель.

    Поставить и решить задачу о радиальном распределении температуры в облучательном устройстве при отсутствии утечек тепла в торцы. Обратить внимание на то, что для этого случая можно получить аналитическое решение, пригодное  для  оценочных расчетов  радиального поля температуры по элементам облучательного устройства, тепловой изоляции или определения местоположения и мощности нагревателя для создания нужного температурного режима на облучаемом образце.

    

План.

1. Пастановка задачи о радиальном распределении температуры в облучательном устройстве при отсутствии утечек тепла в торцы.      

2. Постановка и решение вспомогательных задач.

    Рассмотренная в предыдущем разделе задача реализуется   с помощью ЭВМ, дает пространственное распределение поля температуры для осесимметричной геометрии облучательного устройства, однако, неоправданно сложна, если ставится задача оценки тепловой изоляции или размещения нагревателя для создания нужного температурного режима на облучаемом образце.

    Рассмотрим задачу о радиальном распределении температуры в облучательном устройстве при отсутствии утечек тепла в торцы.      

    Геометрические условия (рис.3.7) задают образец цилиндрической формы радиусом R1,окруженный концентричными экранами с радиусами R k ,  R k+1  . Последний экран R n является обечайкой установки или стенкой канала. Экраны и образец по длине настолько велики, что влиянием теплоотвода в торцы можно пренебречь.

    Физические условия рассматривают   образец, экраны и обечайку установки с теплопроводностью  λ = const   при расчете поля температуры внутри элемента, но  λ =f (Т) при рассмотрении задачи в целом.

   В образце, экранах и обечайке (стенке канала) действуют внутренние источники тепла  q V,k,k +1 (Bт/см3).

Рис.3.7 Модель расчета поля температуры при отсутствии утечек тепла в торцы.

λk.k+1

Rk

Rn

3

1

2

K

K+1

K+2

K+3

n-1

n

qv01v01

qv23

λ23

qvk.k+1

Q

α.Tcp

T=T(r)

Qk

λk,k+1

qvk,k+1

Rk

Tk

Tk+1

А

dT/dr|r=0=0

T=T(r)

λ01

qv01

R1

T1

Б

    Любой из экранов может быть нагревателем, и тогда его источники тепла можно выразить:

q V k,k+1= q V k,k+1,р + q V k,k+1, э

q V k,k+1,р -  внутренние источники тепла при действии радиации;

q V k,k+1,э  = j2 R -  внутренние источники тепла при действии

электрического тока,

где

j -плотность электрического тока (А/см2 ),  

ρ - удельное электросопротивление (Ом. cм).

    Пространство между экранами может быть:

- заполнено газом  с коэффициентом теплопроводности λк-1,к , который постоянен  при рассмотрении теплопередачи между  экранами и зависит от температуры при рассмотрении общей задачи.

-  вакуумировано.

    Заданы:

- интегральные степени черноты экранов.

- температура окружающей среда Tс и α.

    Источники тепла между экранами отсутствуют q V k-1,k= 0.

    Процесс передачи тепла осуществляется:  

-  между экранами: излучением, теплопроводностью и конвекцией;

-   в экранах - теплопроводностью;

- с внешней поверхности обечайки с коэффициентом

теплоотдачи α.

    Временные условия задают установившийся режим:

dT/dτ =0

   Граничные условия:

    I) краевые:

а) теплоотдача с внешней поверхности:

 

Qn = 2πα Rnn - Тc)                                                                         (6)

где   

Qn  - погонный тепловой поток с внешней поверхности обечайки (стенки канала);  

Тn   - температура обечайки;   

Тс - температура внешней среды;

б) поле температуры симметрично относительно образца:

dT/dr | r=0 =0                                                                                       (7)

         2) поток тепла между экранами:

Qk-1,k =  2π[ εk-1,k σ0 Rk-13k-1 + Т 2k-1Т k k-1 Т 2k 3k) +

+nк λк-1,к /ln (Rk/ Rk-1)](Тk-1-Tk) = hk-1,kk-1-Tk)                             (8)

где

εk-1,k= [1/ εk-1 + (1/εk-1-1)( Rk-1/ Rk)]-1 

- приведенный коэффициент интегральной степени черноты.

Более подробно последние соотношения    рассматривается в разделе 3.1;

         3) поток тепла между газом и твердой стенкой определяется соотношением:

Qk = - 2π λk-1,k  Rk-1 dT/dr | r= R(k-1)                                                    (9)

Qk-1 = Qk-1,k = Qk ,                                                                              (10)

так как источники тепла между экранами отсутствуют.

    Ход  решения задачи сводится к следующему:

1.Геометрия задачи и известное распределение внутренних источников тепла позволяют определить потоки тепла Qk  для

каждого значения   rк  в том числе и для rn – Qn ;

2.  По значению  Qn можно определить  температуру  поверхности  обечайки и далее температуру поверхности Тn-1 , решив задачу теплопроводности;

3. Зная условия теплообмена между экранами и поток Qn , можно найти   Тn-2 , а из решения задачи теплопроводности определить  

Тn-3  и т.д.;

4. Следует,  однако, помнить, что полученные значения Ti будут первыми  приближениями, так  как  условия  теплообмена между экранами зависят от Ti  и поэтому точное решение получают методом последовательных   приближений.

     Для решения задачи предварительно необходимо рассмотреть поле  температуры  в экране  и  образце.

     Поле температуры в экране ( рис.3.7 )

     На поверхность цилиндрической стенки действует погонный поток  тепла,  стенка  имеет  постоянный  коэффициент  теплопроводности  λк, к+1 , в ней действуют внутренние источники тепла qv,k,k+1 и задана температура поверхности Tк+1.

     Требуется определить поток тепла  Qк+1  , поле температуры на стенке, температуру и  разность температур (Tк -Tк+1)

Задача стационарная, граничные условия:

Qk = - 2π λk,k+1  Rk (dT/dr | r= Rk )                                              (11) ,

T| r=Rk+1 = Тk+1                                                                            (12)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

Поле температуры описывается уравнением:

d2T/dr2 + (1/r) ( dT/dr) + qv,k,k+1/ λк, к+1 = 0                             (13)

Решение  уравнения  имеет  вид:

T= - (r2 /4) qv,k,k+1/ λк, к+1 +C1ln r +C2                                      (14)

Используем граничные условия для определения постоянных.

Решение можно представить в следующем виде:

Т = Тk+1 + qv,k,k+1/2 λк, к+1[(R2k+1 r2)/2 – R2kln(Rk+1/r) ] +

(Qk/2 πλк, к+1) ln(Rk+1/r)                                                            (15)

Тk - Тk+1 = (qv,k,k+1/2 λк, к+1)[(R2k+1 R2k)/2 – R2kln(Rk+1/ Rk) ] +

(Qk/2 πλк, к+1) ln(Rk+1/ Rk)                                                          (16)

Qk+1 = - 2π λk,k+1  Rk+1 dT/dr | r= Rk+1= πqv,k,k+1(R2k+1 R2k) + Qk   (17)

Тk - Тk+1 = Av,k,k+1+ Ak,k+1                                                          (18)

    Поле температуры в образце ( рис.3.7.)

    На поверхности цилиндра с коэффициентом теплопроводности λ0,1   задана температура Т1   , внутри цилиндра действуют внутренние источники тепла qv01 , в центре цилиндра температура имеет экстремум.

Граничные условия:

 dT/dr | r= 0                                                                                     (19)

T | r= R1= Т1                                                                                    (20)

    Поле температуры описывается уравнением (13) и (14).

Из (19)  C1 = 0, тогда  из (20) определяем:

С2 = Т1+ qv,0,1 R21/4 λ0,1

Поле температуры в цилиндре (образце) имеет вид:

Т=Т1+ qv,0,1 (R21-r2)/4 λк, к+1

Поток тепла с поверхности цилиндра:

Qk = - 2π λ0,1  R1 dT/dr | r= R1 = πqv,0,1R21 = πqv,0,1(R21 R20),

где R0 = 0

Определяем потоки тепла, пользуясь результатами задач, рассмотренных выше.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72644. Последовательность выполнения операторов в программной единице 12 KB
  Главная программа является ведущей программной единицей, и обработка всей программы всегда начинается с первого исполняемого оператора главной программы. Обычно главную программу располагают в начале всей программы, т.к. этого требуют некоторые компиляторы; за главной программой следуют подпрограммы.
72645. Последовательность выполнения операторов в программной единице 12.99 KB
  Любая программная единица представляет собой последовательность операторов и комментариев. Комментарии могут располагаться в любом месте программной единицы. Они не влияют на ход выполнения программы. Порядок следования операторов в программе существен.
72646. Логические выражения 14.67 KB
  Результатом логического выражения является величина типа LOGICAL. Простейшие формы логических выражений следующие: Логические константы. Ссылки на логические переменные. Ссылки на элементы логических массивов. Ссылки на логические функции. Выражения отношения.
72647. Арифметические выражения 13.77 KB
  Используемые величины переменных или элементов массивов должны быть определены до того, как они появятся в арифметическом выражении. Также, величины целых переменных должны быть арифметическими, а не величинами меток операторов, установленными оператором ASSIGN.
72648. Размещение элементов массива в памяти ЭВМ 11.81 KB
  Если массив одномерный то его элементы хранятся в памяти друг за другом например А1 А2 А3 А4 Во многих языках программирования например в СИ элементы двумерного массива располагаются в памяти ЭВМ по строкам в Фортране по столбцам.
72649. Понятие массива 18.25 KB
  Каждый массив должен быть описан в начале программы с помощью оператора размерности DIMENSION с указанием предельных значений каждого индекса, которые задаются целыми константами. Это необходимо для того, чтобы зарезервировать соответствующий объем памяти для хранения элементов массива.
72650. Формы представления данных в памяти ЭВМ 12.71 KB
  Под кодированием понимается переход от исходного представления информации, удобного для восприятия информации человеком, к представлению, удобному для хранения, передачи и обработки. Информация в памяти ЭВМ записывается в виде цифрового двоичного кода.
72651. Запись операторов в свободном и фиксированном форматах 12.37 KB
  Для записи комментариев ставится символ С в первой позиции строки далее до конца строки любой текст считается комментарием и игнорируется компилятором. Допускается запись нескольких операторов на одной строке разделителем является символ...
72652. Константы. Типы констант 13.61 KB
  Константа — это величина, которая не изменяется в программе в процессе программирования, то есть её значение не изменяется. Типы констант Существуют константы следующих типов: Целые — это простые целые числа любого знака. Например: 3; 157.