II. Теплообмен

Теплообмен это процесс переноса тепла в пространстве и он расчленяется на ряд простых явлений: теплопроводность, конвекцию, излучение.

 

1. Теплопроводность – это передача тепла на микроуровне (молекулярном), характерна для твердых тел.

 

 

2. Конвективный теплообмен – характерен для твердых, жидких и газообразных состояний тел. Определяется переносом массы на макро уровне и делится на:

_- вынужденная конвекция при наличии разности давлений;

_- свободная конвекция за счет перемещения массы при наличии гравитационных сил (нагрев снизу воздухом – он поднимется вверх, нагрев потоком и стены – спускается вниз).

3. Радиальный или лучистый теплообмен. Нагретое тело излучает энергию в виде электромагнитных волн, которые воспринимаются нагреваемым телом, и в нем энергия электромагнитных волн снова преобразуется в теплоту. Характерен для тел, имеющих высокую температуру.

 

Теплопроводность.

При теплопередачи теплопроводность в рассматриваемом объекте выделим изотермы. Это поверхности, имеющие одинаковую температуру.

 

 

Характеристики теплообмена:

_- температура;

_- градиент температур;

_- тепловой поток Q;

_- удельный тепловой поток q.

 

Уравнение Фурье.

Удельный тепловой поток в произвольном направлении пропорционален падению температуры в данном направлении:

,

l - коэффициент теплопроводности материала – количество тепла, передаваемое на расстоянии 1м в единицу времени при разности температур в 1 К.

Теплопроводность

Дифференциальное уравнение теплопроводности.

Это уравнение используется для определения температурного поля в телах. Выводится из закона сохранения энергии, который гласит: изменении энтальпии, элементарного объема, сила давления из тепла, подводимого извне и тепла, выделяющегося внутри данного объема. Рассмотрим параллелепипед dx, dy, dz и подводимые тепловые потоки. Будем считать, что теплопроводность вещества не зависит от температуры.

 

 

 

Если, а велик, то градиент температуры в веществе при равных условиях существенно меньше, чем при других. Если стенка, работающая в условиях больших перепадах температур, то градиент температуры:

. Уравнение используется при расчете отвержения детали из пластмасс угле- и стеклопластика и т.д. (решается численным методом).

 

Теплопроводность плоской однослойной стенки.

t_c1, t_c2, l = const. Стенка имеет большие размеры в направлениях z и y (в идеале бесконечна). T_с = t_f, t_жид = t_w. Найти: q, T(x) – удельный тепловой поток и распределение температуры в стенке.

Задача стационарная (все параметры во времени не меняются).

Перейдем к полной производной.

Теплопроводность многослойной тонкой плоской стенки.

Известно t_c1 - t_cn+1, l_i, d_i, q₁.

Найти t_стыка, q.

1. последовательно запишем уравнение Фурье для каждого из слоев.

2. Из него находим разность температур на каждом из слоёв.

3. Полученная система из n уравнений суммируется.

4. Находим тепловой поток.

Расчет многослойной стенки с учетом контактных соединений.

Слои прилегающие к друг другу неплотно, два или несколько прилегающих металлов, соединенных точечной сваркой. Любые газовые прослойки между металлическими листами будут давать большие контактные сопротивления, так как теплопроводность газа много меньше чем металла.

То есть, должна рассматриваться система, включающая n-1 уравнений Фурье.