Виды передачи тепла их физическая суть. Способы передачи теплоты

Теплопередачей или теорией теплообмена называют науку, изучающую законы переноса теплоты в твердых, жидких и газообразных телах.

Основы учения о теплоте были заложены русским ученым

М.В. Ломоносовым, в середине XVIII в. создавшим механическую теорию теплоты и основы закона сохранения и превращения материи и энергии. В дальнейшем развитии учения о теплоте разрабатывались его общие положения.

В настоящее время теплопередача вместе с технической термодинамикой составляет теоретические основы теплотехники.

3.2. Основные виды теплообмена

Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты. Процесс теплообмена – это самопроизвольный процесс переноса (передачи) теплоты в пространстве при неоднородном распределении температур. Разность температур – это необходимое условие теплообмена, причем тепло распространяется от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Перенос теплоты при наличии разности температур может быть осуществлен внутри твердого тела, в жидкой, газообразной среде, на границе твердого тела с окружающей его средой, в двух средах, разделенных перегородкой.

Исследования показывают, что теплообмен является сложным процессом. Однако ради простоты изучения различают три элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводностью называется перенос теплоты внутри тела соприкасающимися, беспорядочно движущимися микрочастицами (атомами, молекулами, электронами). То есть частицы, соприкасаясь, разносят тепло. Можно наблюдать, как при нагревании металлического стержня с одного конца теплота постепенно распространяется по всему стержню. Объясняется это тем, что в нагреваемом конце стержня тепловое движение молекул, атомов и свободных электронов постепенно ускоряется, а это значит, что внутренняя кинетическая энергия их увеличивается. При соударениях часть их энергии передается дальше по стержню, что и приводит к распространению теплоты по всему стержню. В жидкостях (капельных и газообразных) процесс переноса теплоты теплопроводностью очень невелик.

Конвекция – перенос теплоты при перемещении объемов текущей среды (жидкости или газа) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Различают свободную и вынужденную конвекции. При свободной конвекции перемещение жидкости происходит под действием разности плотностей отдельных частей жидкости при нагревании, например, перенос теплоты от наружной поверхности горячей батареи холодному воздуху в помещении. Если перемещение вызывается искусственно вентилятором, насосом, мешалкой и т.д., то такая конвекция называется вынужденной. При этом распространение теплоты, т.е. прогревание всей массы жидкости, происходит значительно быстрее, чем при свободной.

Тепловое излучение – процесс переноса теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением – тепловой энергии в лучистую и обратно.

Для переноса теплоты теплопроводностью и конвекцией необходима материальная среда, для передачи теплоты излучением такая среда не нужна.

При теплообмене между двумя телами внутренняя энергия тела с более высокой температурой уменьшается, а тела с менее высокой температурой, на столько же увеличивается. Процесс теплообмена протекает тем интенсивнее, чем больше разность температур тел, обменивающихся энергией. При ее отсутствии процесс теплообмена прекращается и наступает тепловое равновесие.

Рассмотренные формы переноса теплоты во многих случаях осуществляются совместно двумя, а чаще – тремя способами. Например, обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью (или газом) происходит путем теплопроводности и конвекции одновременно и называется конвективным теплообменом или теплоотдачей. В паровых котлах в процессе переноса теплоты от топочных газов к внешней поверхности кипятильных труб одновременно участвуют все три вида теплообмена – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. От внешней поверхности кипятильных труб к внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи теплота переносится путем теплопроводности. Наконец, от внутренней поверхности труб к воде теплота переносится путем теплопроводности и конвекции. В практических расчетах такие сложные процессы иногда целесообразно рассматривать как одно целое. Так, например, передачу теплоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называют процессом теплопередачи.

Рассмотрим каждый из трех способов переноса теплоты (теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение), а также и объединяющий их сложный процесс переноса теплоты.

Теплопроводность

Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела. Поэтому, при его изучении, прежде всего необходимо установить понятия температурного поля и градиентатемпературы.

Температура, как известно, характеризует тепловое состояние тела и определяет степень его нагретости. Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени называется температурным полем. Если температура меняется во времени, поле называется неустановившимся (нестационарным), а если не меняется – установившимся (стационарным).

При любом температурном поле в теле всегда имеются точки с одинаковой температурой. Геометрическое место таких точек образует изотермическую поверхность . Так как в одной и той же точке пространства одновременно не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности друг с другом не пересекаются; все они или замыкаются на себе или кончаются на границах тела. Следовательно, изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности (например, направление х, рис. 1)

Рис 1. К определению температурного градиента.

При этом более резкое изменение температуры получается в направлении нормали n к изотермической поверхности. Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормали называется градиентом температур : = (1)

Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры. Температурный градиент показывает, насколько интенсивно (резко) меняется температура в толще тела и является важной величиной, определяющей многие физические явления (появление трещин в хрупком теле от неравномерного нагрева, термические деформации и т.д.)

Теплота самопроизвольно переносится только в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переносимое через какую-либо изотермическую поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком .

Тепловой поток, отнесенный к единице площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока :

(2)

Величины Q и q являются векторами, направленными по нормали к изотермической поверхности, причем за положительное направление принимается направление в сторону уменьшения температуры. Векторы теплового потока и градиента температур противоположны.

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) формулируется следующим образом: плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры: (3)

где коэффициент теплопроводности, характеризующий способность тел проводить теплоту и зависящий от химического состава и физического строения вещества, его температуры, влажности и пористости. Влага, заполняя поры тела, увеличивает теплопроводность, а пористость наоборот, уменьшает ее, так как чем пористее тело, тем больше в нем содержится воздуха, а теплопроводность воздуха, как и вообще всех газов, низкая (в 20 – 25 раз меньше теплопроводности воды).

Приближенные значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов приведены в приложении в табл. 1.

Основы теплопередачи

К атегория:

Передвижные электростанции

Основы теплопередачи

Теплопередачей или теплообменом называется процесс переачи тепловой энергии (теплоты) как внутри тела от более нагретых его частиц к менее нагретым, так и от одних тел к другим. Теплопередача играет большую роль в работе теплосиловых установок и их агрегатов, паровых котлов и машин, двигателей внутреннего сгорания, радиаторов и др.

Теплообмен представляет собой сложный процесс и может осуществляться теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводностью называется передача тепловой энергии от одних соприкасающихся частиц или тел к другим. Этим способом теплота передается главным образом в твердых телах, но может передаваться в жидкостях и газах.

Молекулы, обладающие большой кинетической энергией, при столкновении с молекулами, имеющими меньшую кинетическую энергию, передают последним часть своей тепловой энергии.

В металлах теплота передается колебаниями мельчайших частиц, а в жидкостях и газах - перемешиванием.

Если нагревать воду или газ (в закрытом сосуде сверху), то теплота верхних слоев воды или газа будет передаваться холодным нижним слоям только в результате теплопроводности.

Конвекцией называется передача теплоты путем перемешивания между собой частиц газа или жидкости и перемещения их из области одних температур в область других температур. Передача теплоты совместным действием теплопроводности и конвекции называется конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен возможен между металлической стенкой и газом или жидкостью, омывающими эту стенку. Частицы газа или жидкости, соприкасающиеся с горячей стенкой, нагреваются в результате теплопроводности; вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы перемещаются вверх и переносят с собой некоторое количество теплоты. Такая передача теплоты называется естественной или свободной конвекцией.

При вынужденном перемещении частиц жидкости или газа (с помощью насоса или вентилятора) интенсивность теплообмена значительно увеличивается; такая теплопередача называется принудительной конвекцией.

Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, которая в неподвижном теплоносителе невелика, так как газы и жидкости -плохие проводники теплоты.

Примером конвективного теплообмена может служить нагревание воды в паровом котле: передача теплоты от нагретой стенки котла к воде осуществляется главным образом естественной конвекцией и лишь в незначительной части - теплопроводностью.

Тепловым излучением или лучеиспусканием называется передача тепловой энергии от одного тела к другому электромагнитными волнами. Часть тепловой энергии каждого-тела превращается в лучистую энергию, которая в виде электромагнитных волн распространяется во ‘все стороны. Встречая на> своем пути другие тела, лучистая энергия частично поглощается ими, превращаясь снова в тепловую энергию (теплоту).

В практических условиях теплообмен осуществляется не одним каким-либо способом, а одновременно всеми. Такой теплообмен принято называть сложным.

Теплопроводность. Рассмотрим часто встречающуюся на практике передачу теплоты теплопроводностью через плоскую стенку. Процесс передачи теплоты будем считать стационарным, т.е. температура в различных точках стенки с течением времени не изменяется.

Следовательно, коэффициент теплопроводности представляет собой количество теплоты, передаваемое через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при разности температур 1 °С в течение 1 ч.

Коэффициент теплопроводности зависит от структуры, удельного веса, влажности и температуры вещества. При расчетах значения коэффициентов теплопроводности берут из справочников.

Рис. 1. Схема передачи теплоты через однослойную, стенку

Конвекция. Рассмотрим теплообмен конвекцией между жидкостью и стенкой.

Коэффициент теплоотдачи а может быть определен только опытным путем. Так как коэффициент теплоотдачи зависит от значительного количества факторов, для его определения требуется проведение большого числа опытов.

Для сокращения количества опытов разработана так называемая «теория подобия». Теория подобия дает возможность проводить опыты не на самих аппаратах, для которых нужно определить коэффициент теплоотдачи, а «а уменьшенных и упрощенных моделях, что требует меньших затрат и может быть выполнено в более короткие сроки.

Тепловое излучение. Передача теплоты излучением не требует непосредственного соприкосновения тел и может происходить при значительном расстоянии между ними.

Каждое тело непрерывно излучает и поглощает лучистую энергию. Лучистая энергия является результатом сложных молекулярных и внутримолекулярных процессов, порождаемых энергией других видов. Источником теплового излучения является тепловая энергия. Количество возникающей лучистой энергии зависит от физических свойств и температуры излучающего тела.

Излучение тел представляет собой электромагнитные колебания с длиной волны от долей микрона до десятков километров: космические, рентгеновы, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные и другие лучи. Свойства этих лучей различны; для теплотехники представляют интерес такие лучи, которые поглощаются телами и энергия которых снова превращается в тепловую. Такими свойствами обладают световые и инфракрасные лучи, длины волн которых колеблются от 0,4 до 40 мкм.

Попадая на какое-либо тело, лучистая энергия частично поглощается им, частично отражается от него и частично проходит сквозь тело. Тело, полностью поглощающее попадающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным, полностью отражающее - абсолютно белым. Тела, которые полностью пропускают через себя лучистую энергию, называются прозрачными (или диатермичными).

Абсолютно черных и абсолютно белых тел в природе не существует. Поэтому обычно принято называть тела серыми. К абсолютно черным телам близки бархат, черное сукно и сажа, которые поглощают до 95-98% теплового излучения. К абсолютно белым телам близки полированные медь и алюминий, которые поглощают только 2-4% теплового излучения. Приме-

В теплотехнике, как было указано выше, часто происходит сложный теплообмен: например, между продуктами сгорания топлива и стенкой (топка парового котла, камера сгорания и цилиндр дизеля). При этом теплообмен осуществляется конвекцией и излучением.

Теплообмен излучением наиболее интенсивно происходит при температурах выше 600 °С; при меньших температурах теплота передается в основном конвекцией и теплопроводностью.

Многоатомные газы также способны излучать и поглощать лучистую энергию. В продуктах сгорания топлива содержатся трехатомные газы СОг и НгО, а также двухатомные N2, Ог и СО.

Газы излучают и поглощают лучистую энергию в определенных интервалах длин волн.

Закономерности излучения различных газов различны. Однако для упрощения практических расчетов количество энергии, излучаемой газом, принято определять по закону Стефана-Больц-мана. Степень черноты газов берется из таблиц или графиков.

В теплотехнике наиболее часто передача тепла от одной среды (греющей) к другой (нагреваемой) осуществляется через однослойную или многослойную стенку. Такой общий процесс передачи тепла может быть расчленен на несколько простейших процессов.

Рассмотрим процесс передачи тепла от греющей среды к нагреваемой через плоскую трехслойную стенку (рис. 2). Будем считать, что тепловой поток направлен слева направо, температура греющей среды (жидкости или газа) tu а температура нагреваемой среды (жидкости или газа) t2.

От греющей среды к поверхности первого слоя стенки теплота передается только конвекцией или конвекцией и излучением, через трехслойную стенку - теплопроводностью и, наконец, от третьего слоя стенки к нагреваемой среде- конвекцией. На всех указанных этапах передачи теплоты от греющей среды к нагреваемой тепловой поток будет одинаковым.

Коэффициент теплопередачи выражает собой количество теплоты, которое передается от греющей среды к нагреваемой череа стенку площадью 1 м2 при разности температур 1°С в течение 1 ч. Значение коэффициента теплопередачи для трехслойной стенки определяют по формуле

Рис. 2. Схема теплопередачи через трехслойную стенку

Теплопередачей, или теорией теплообмена, называют учение о распространении тепла в различных средах и о переходе тепла от более нагретых тел к менее нагретым. Есть только одно направление потока тепла - от горячих тел к холодным.

Все процессы, протекающие в котельных агрегатах, турбинах, конденсаторах, тепловых аппаратах приготовления пищи, сопровождаются теплообменом.

Различают три основных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность - это передача тепла (тепловой энергии) при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих различные температуры. Суть процесса состоит в том, что мельчайшие частицы тела с более высокой температурой имеют большую кинетическую энергию и при соприкосновении с частицами с меньшей температурой отдают свою энергию, а последние ее воспринимают. При этом никакого переноса массы вещества не происходит. В чистом виде теплопроводность может наблюдаться только в твердых телах.

Конвекция - перенос теплоты потоком жидкости или газа вследствие переноса массы вещества. Каждый элемент объема движущейся среды переносит теплоту при соприкосновении с нагретой поверхностью. В этом случае более нагретые частицы сталкиваются с менее нагретыми и отдают им часть своей энергии теплопроводностью. Передача тепла конвекцией в сочетании с теплопроводностью называется конвективной. Существует два вида конвекции: свободная (естественная), возникающая из-за разности плотностей среды, и вынужденная, возникающая под действием работы вентиляторов, насосов и т. д.

Излучение - процесс передачи тепла от одного тела к другому в виде лучистой энергии, которая, попадая на другие тела, частично или полностью поглощается этими телами и вызывает их нагрев. При этом присутствие физической среды необязательно. Излучение имеет электромагнитную природу, причем в вакууме энергия излучения распространяется со скоростью света.

В реальных условиях имеет место сложный теплообмен, при котором передача тепла осуществляется одновременно всеми тремя способами.

Теплообмен между телами может происходить при установившемся или неустановившемся тепловом режиме. При установившемся, или стационарном, тепловом режиме температура в каждой точке тела остается неизменной с течением времени.

При неустановившемся, или нестационарном, тепловом режиме температура в каждой точке тела изменяется с течением времени. Процессы нагрева и охлаждения продуктов в тепловых аппаратах и холодильных камерах соответственно протекают при нестационарных режимах.

Конвективный теплообмен осуществляется между стенкой сосуда и жидкостью (газом), омывающей эту стенку, при их непосредственном соприкосновении.

В зависимости от длины излучаемых волн проявляются различные свойства лучистой энергии. В связи с этим различают лучи: рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, гамма-лучи, инфракрасные и т. д. В теплообмене большое значение имеют тепловые (инфракрасные) лучи.

Все тела при температурах, отличных от нуля, обладают способностью испускать, поглощать и отражать лучистую энергию. Тело может также пропускать через себя лучи, падающие на него от другого тела.

Лучистая энергия, падающая на тело, частично им поглощается, частично отражается от его поверхности, а частично пропускается телом на поверхность другого тела.

Для уменьшения потерь тепла боковыми поверхностями тепловых аппаратов в окружающую среду в жарочных, пекарских шкафах, в печах хлебопекарен и в другом оборудовании применяют экраны из алюминиевой фольги между внутренним и наружным коробом. В результате интенсивность лучистого теплообмена между этими поверхностями уменьшается в (n+1) раз (n - количество экранов). Экраны способствуют повышению КПД теплового аппарата и снижению температуры на поверхности аппаратов до допустимых по стандартным нормам значениям.

Сложный теплообмен представляет собой совокупность одновременно протекающих процессов теплопроводности, конвективного переноса тепла и теплового излучения. Например, если рассматривать нагрев воды в кастрюле, стоящей на электроплите, то здесь имеет место передача тепла теплопроводностью, излучением и конвекцией.

При нагреве воды в котлах с промежуточным теплоносителем осуществляется передача тепла от пара пароводяной рубашки к воде, т. е. имеет место переход тепла через стенку котла. Интенсивность такого перехода тепла через стенку оценивается коэффициентом теплопередачи.

Коэффициентом теплопередачи называется количество тепла, передаваемое от одной среды к другой через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между средами в один градус.

Сами стенки могут быть однослойными, двухслойными и многослойными, но суть физического явления передачи тепла остается одинаковой. При передаче теплоты от нагретой среды, например, в жарочном шкафу теплота передается к поверхности внутренней стенки конвекцией, затем теплопроводностью через все слои стенки и от последней наружной поверхности стенки - конвекцией к другой среде (воздуху), температура которого ниже, чем температура греющей среды.

Виды передачи теплоты

Теория теплообмена изучает закономерности распространения и пе-реноса тепловой энергии. Обмен энергией в форме теплоты происходит при наличии разности температур между отдельными телами или частями одного и того же тела и продолжается до тех пор, пока температура обоих тел не сравняется. Поскольку температура является мерой внутренней энергии, следовательно, при теплообмене происходит увеличение внут-ренней энергии одного (холодного) тела за счет ее уменьшения у другого тела (горячего).

Процесс теплообмена является естественным и необратимым, т. е. он всегда протекает в одном направлении: от горячего тела к холодному.

Существует три способа переноса теплоты: теплопроводность, кон-векция и излучение.

Теплопроводность -процесс распространения теплоты в твердыхтелах и жидкостях, находящихся в состоянии покоя. В диэлектриках (в ма-териалах, непроводящих электричество) тепловая энергия передается ко-лебаниями кристаллической решетки, а в металлах - главным образом за счет движения свободных электронов в решетке. Теплопроводность в чис-том виде наблюдается только в твердых телах.

Конвекция -перенос теплоты при перемещении отдельных масс иобъемов жидких и газообразных тел.

Обычно происходит одновременно конвекция и теплопроводность. Такой процесс называется конвективным теплообменом . Перенос теплоты от одного тела к другому при конвекции и теплопроводности осуществля-ется только при их соприкосновении.

Излучение -теплообмен между телами на расстоянии в форме лу-чистой энергии. Носителями лучистой энергии являются электромагнит-ные волны (фотоны). При излучении тепловая энергия нагретого тела пе-реходит в лучистую, распространяется в окружающем пространстве, пада-ет на другое тело и вновь переходит в тепловую энергию.

Решение задач теплообмена всегда имеет конкретный характер, одно-значно определяемый условиями протекания процессов.

Эти условия включают:

– геометрические особенности поверхностей тел и окружающего их пространства (формы, размеры);

– особенности протекания процесса во времени;

– граничные особенности процесса теплообмена, т. е. значение и рас-пределение физических величин на границах раздела тел, участвующих в теплообмене;

– физические и химические свойства и параметры среды, в которой осуществляется перенос теплоты.

Не всегда, однако, эти условия однозначности позволяют получить аналитическое решение задач теории теплообмена. Поэтому для изучения процессов теплообмена исключительное значение имеют физические экс-перименты и обобщение их результатов.

Теплопроводность

Особенности явлений теплопроводности связаны с распределением температуры в телах. В общем случае температура тел может изменяться во всех точках пространства с течением времени. Совокупность мгновен-ных значений температуры во всех точках изучаемого пространства носит название температурного поля .

Температурное поле является однородным , если во всех точках про-странства температура одинакова, и неоднородным , если она различна. Поверхности, на которых расположены точки с одинаковой температурой, называются изотермическими , а сечение этих поверхностей - изотерма-ми (рис. 3.1).Вдоль изотермических поверхностей теплота не распростра-няется. Наиболее быстрое изменение температуры происходит в направле-нии по нормали к изотермическим поверхностям.

Рис. 3.1. Температурное поле

Предел отношения разности температур двух изотерм к расстоянию между ними по нормали, когда n стремится к нулю, называется градиен-

том температур и обозначаетсяgrad t .

Градиент - мера наибольшей интенсивности изменения температу-ры; он является векторной величиной. Положительным считается направ-ление, в котором температура возрастает. Количественно интенсивность теплообмена характеризуется плотностью теплового потока , то есть ко-личеством теплоты, проходящей через единицу поверхности в единицу времени. Согласно закону Фурье - основному закону теплопроводно-сти - плотность теплового потока, Вт/м 2 , определяется по формуле

где Q - количество теплоты, Дж; F - площадь, м 2 ; τ - время, ч.

Закон Фурье утверждает, что плотность теплового потока пропорцио-нальна градиенту температур

где λ - коэффициент теплопроводности, характеризующий интенсивность распространения теплоты, т. е. количество теплоты, проходящее вследст-вие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теп-лообмена при падении температуры на 1 градус на единицу длины норма-ли к изотермической поверхности, Вт/м К.

Знак «минус» в правой части указывает на противоположность на-правлений теплового потока и изменения температуры в теле. Коэффици-ент теплопроводности зависит от химического состава тел, их структуры, плотности, влажности, давления, температуры и составляет величину по-рядка от 0,01 до 400 Вт/(м·К).

Тела, имеющие λ <0,2 Вт/(м·К), называются теплоизоляторами . Хо-рошими проводниками теплоты являются тела, имеющие λ >20 Вт/(м·К).

Наименьшие значения коэффициента теплопроводности имеют газы (от 0,01 до 1 Вт/(м·К)), наибольшие - металлы (серебро - 410, медь -

360, алюминий - 200-300, сталь - 45-55 Вт/(м·К)).

Уравнение теплопроводности Фурье представляет собой математиче-ское описание процесса изменения температуры во времени в любом месте тела, вызываемого результирующим переносом теплоты.

Уравнения теплопроводности обычно аналитически решают для кон-кретных условий протекания процесса с привлечением известных условий однозначности.

На практике приходится встречаться с различными задачами тепло-проводности, которые условно делятся на три группы:

1) стационарная теплопроводность, когда распределение температур в теле сохраняется неизменным во времени и соответственно плотность теп-лового потока постоянна. Процессы теплообмена в нагревательных уст-ройствах и аппаратах, ограждающих конструкциях строительных соору-жений при длительных неизменных температурах наружной и внутренней среды могут рассматриваться не зависящими от времени;

2) нестационарная теплопроводность, когда происходит изменение температурного поля во времени. Нестационарная теплопроводность на-блюдается, например, при нагревании и охлаждении тел, когда до начала теплового воздействия во всей массе тела была одинаковая температура;

3) температурные волны в телах, подвергаемых периодическому теп-ловому воздействию. Например, годовые колебания температуры в по-верхностном слое земли, суточные колебания температуры наружного воз-духа и под их воздействием температуры поверхностей ограждающих кон-струкций.

Ниже дано частное решение уравнения Фурье для двух задач стацио-нарной теплопроводности.

1. Одномерное распределение теплоты в плоской стенке (рис. 3.2). Тепловой поток в плоской стенке равен

ностях F 1 и F 2 , °С.

Для многослойной стенки с толщинами слоев δ i и коэффициентами теплопроводности λ i уравнение теплового потока обобщается следующим образом:

где α - коэффициент конвективной теплоотдачи, характеризующий ин-тенсивность теплообмена конвекцией, Вт/(м 2 ·К); t ж - температура жидко-сти вдали от стенки, °С; t ст - температура поверхности стенки, °С; F -тепловоспринимающая поверхность тела,м 2 .

Одной из главных задач теории конвективного теплообмена является определение значения коэффициента теплоотдачи для конкретных условий протекания процесса.

На величину α оказывает влияние множество факторов, основными из которых являются характер конвекции, режим движения, физические свойства жидкости, геометрические особенности поверхности тел, участ-вующих в теплообмене.

Конвекция называется свободной , если она возникает за счет разности давлений (плотности), обусловленной неоднородностью температурного поля жидкости. Явление свободной конвекции можно наблюдать над по-верхностью нагретых тел, когда находящиеся вблизи этих поверхностей частицы воздуха, нагреваясь, поднимаются вверх, а на их место устремля-ются холодные массы воздуха (рис. 3.4).

Свободная конвекция возникает естественно во всяком объеме, где имеются тела с различной температурой, и протекает тем интенсивнее, чем выше разность температур.

Рис. 3.4. Свободная конвекция: а – вертикальная нагре-тая стенка; б – горизонтальная плита; в – горизонталь-ная плита, нагреваемая снизу

Вынужденной конвекцией называется теплообмен при движении жид-кости под действием внешних сил, например, создаваемых насосом, вен-тилятором, компрессором. Интенсивность теплообмена при этом тем вы-ше, чем больше скорость течения жидкости, омывающей поверхности тел.

Причина повышения интенсивности теплообмена при увеличении скорости течения заключается в изменении режима движения жидкости, переходе ламинарного движения в турбулентное (см. рис. 3.1).

В ламинарном потоке тепловая энергия переносится тепло-проводностью и поперечной диффузией масс. Интенсивность такого переноса энергии зависит от свойств среды, и тем меньше, чем больше толщи-на потока. В турбулентном потоке энергия переносится от жидкости к стенке перемешивающимися массами и лишь в пограничном слое - теп-лопроводностью. Поэтому интенсивность теплоотдачи в турбулентном по-токе выше, чем в ламинарном.

Ламинарное и турбулентное течения жидкости могут наблюдаться как при вынужденном, так и при свободном движении. Однако в последнем случае эти режимы создаются исключительно условиями теплового воз-действия, тогда как при вынужденном движении используются искусст-венные способы воздействия на течение жидкости.

Интенсивность конвективной теплоотдачи зависит также от физиче-ских свойств жидкости, характеризуемых значением коэффициентов теп-лопроводности и температуропроводности, теплоемкости, коэффициентов объемного расширения и кинематической вязкости.

Геометрические условия конвективного теплообмена определяются формой тела, его размерами, характером поверхности, обтекаемой жидко-стью.

По геометрическим условиям различают теплообмен при внутреннем течении жидкости в трубах, каналах (внутренняя задача) и внешнем омы-вании поверхностей потоком (внешняя задача). При внешнем обтекании поток может быть продольным по отношению к наибольшему размеру по-верхности или поперечным (например, при обтекании пучка труб, располо-женных перпендикулярно направлению потока).

Во всех случаях геометрические условия оказывают существенное влияние на распределение скоростей и температур в потоке, на режим движения, изменяя интенсивность теплообмена. Для учета этих факторов необходимо задаваться характерными размерами и формой тела.

Значения коэффициентов теплоотдачи в различных задачах конвек-тивного теплообмена определяют путем решения критериальных уравне-ний, при помощи которых обобщаются данные экспериментальных иссле-дований, так, например, для свободной конвекции используется уравнение вида

где Nu l -критерий Нуссельта; α -коэффициент конвективной теп-

Грасгофа; g - ускорение силы тяжести, м/с 2 ; β - коэффициент объемного

Рейнольдса; С , n , m - опытные коэффициенты, - скорость жидкости, м/с.

Теплообмен - это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой .
Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.
Теплообмен может осуществляться тремя способами:

1. теплопроводностью
2. конвекцией
3. излучением

Теплопроводность

Теплопроводность - явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы - она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец , но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.
При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью .
Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность .
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь .
Теплопроводность у различных веществ различна.
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность - это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.

Конвекция

Конвекция - это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
Пример явления конвекции : небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Различают два вида конвекции:

• естественная (или свободная)

• вынужденная

Излучение

Излучение - электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.
Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана - Больцмана.
Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме .
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.