Процесса переноса тепла

 

Передача и распространение теплоты – сложное явление, реализация которого в каждом конкретном случае связана с тремя различными по физической природе элементарными способами переноса тепла: теплопроводностью, конвективным теплообменом и тепловым излучением [2].

Распространение теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела: в газах передача тепла теплопроводностью осуществляется в результате соударения молекул между собой; в металлах – диффузией свободных электронов и упругих колебаний кристаллической решетки; в жидкостях и твердых диэлектриках – путем упругих волн (упругие колебания кристаллической решетки).

Конвективный теплообмен – процесс переноса тепла при перемещении макроскопических объемов газа или жидкости из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью.

Различают естественную и вынужденную конвекцию. В первом случае движущей силой процесса является разность температур. Во втором – принудительное внешнее воздействие, чаще всего механическое (насосы, компрессоры, вентиляторы).

В инженерной практике основной интерес представляет теплоотдача, под которой понимают конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс чаще всего описывают уравнением Ньютона-Рихмана:

Q = a × F × (t_ж – t_c), (1.2)

где F – поверхность теплоотдачи, м²;

t_ж, t_с – температуры жидкости и стенки, К или °С;

a – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²×К). Его можно выразить из уравнения (1.2) и дать следующее определение.

.

Коэффициент теплоотдачи a представляет собой количество тепла, отдаваемое или воспринимаемое единицей поверхности теплоотдачи F при разности температур между жидкостью и стенкой 1К. Коэффициент теплоотдачи a зависит от большого числа факторов: формы и размеров тела, режима движения, скорости и температуры жидкости, ее теплофизических свойств и т. п. Расчет теплоотдачи, несмотря на простоту уравнения (1.2), является весьма сложным делом, главная трудность которого заключается в определении величины коэффициента теплоотдачи (более подробно – см. раздел 3.5).

Тепловое излучение – это процесс распространения тепловой энергии с помощью электромагнитных волн. При тепловом излучении происходит двойное превращение энергии: тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую и, наоборот, лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит в тепловую.

При данной температуре наибольший тепловой поток излучает абсолютно черное тело. Величина его плотности определяется законом Стефана-Больцмана:

q = s₀ × T⁴, (1.3)

где s₀ = 5,67×10^-8 Вт/(м²×К⁴) – константа излучения абсолютно черного тела.

Плотность теплового потока, излучаемого нечерными телами, оценивается формулой:

q = e × s₀ × T⁴, (1.4)

где e – степень черноты. Ее величина 0 < e < 1 и определяется экспериментально или из справочника.

При лучистом теплообмене между двумя телами они одновременно облучают друг друга. Результирующая теплота, переданная излучением от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, определяется выражением:

Q₁₂ = s_пр. × F × (T₁⁴ – T₂⁴), (1.5)

где F – взаимная поверхность облучения;

s _пр. – приведенная константа излучения.

Тепловой поток – количество теплоты, которое передается в единицу времени от источника теплоты к какому-либо телу (стоку). Тепловой поток (Q) измеряется в Вт, кВт и т.п.

Плотность (интенсивность) теплового потока – тепловой поток, отнесенный к единице поверхности, объема или длины теплового источника. Плотность теплового потока обозначается q:

, (1.6)

где F – площадь передачи теплоты, перпендикулярная направлению теплового потока, м²; V – объем, м³; L – длина, м.

Источником называется объект, генерирующий теплоту.

Мощность источника оценивается величиной генерируемого теплового потока или его плотностью.

Стоком называется объект, поглощающий теплоту.

Температурное поле – совокупность значений температуры тела в любой момент времени. Его наиболее общее математическое выражение:

t = t × (x, y, z, t), (1.7)

где x, y, z – координаты отдельной точки тела; t – время.

Температурное поле, описываемое выражением (1.7) называется трехмерным нестационарным, т. е. изменяющимся с течением времени. Такое поле соответствует режиму прогрева или охлаждения тел. Если температура каждой точки с течением времени не меняется, то поле называется трехмерным стационарным и выражается уравнением:

t = t × (x, y, z).

Изотермические поверхности – геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру. Изотермические поверхности не могут пересекаться друг с другом. Они или замыкаются сами на себя, или обрываются на границах тела.

Изотермические линии (изотермы) – линии, образованные пересечением изотермических поверхностей с секущей плоскостью. Как и изотермические поверхности, изотермические линии не могут пересекаться друг с другом – они или замыкаются сами на себя, или обрываются на границах тела.

Температурный градиент – предел отношения изменения температуры между двумя изотермами к расстоянию между последними, измеренному по нормали.

. (1.8)

Температурный градиент векторная величина. Его положительное направление совпадает с направлением роста температуры. В соответствии со вторым законом термодинамики, вектор теплового потока направлен в противоположную сторону: от большей температуры к меньшей.

Единица измерения в системе СИ (К/м).