Основы теплообмена. Физическая модель конвективного теплообмена. Основные законы теплового излучения

Страницы работы

Фрагмент текста работы

Рассмотрим теплопроводность плоской многослойной стенки  , состящей из nслоев , плотно прилегающих один к другому. Каждый слой имеет заданную толщину  d и коэф- т теплопроводности l . Многослойными являются , например стены и перекрытия крупнопанельных  и кирпичных зданий.

При стационарном  тепловом режиме тепловой  поток, проходящий через каждый из слоев стенки, не изменяется. Поэтому, пользуясь формулой ( 1.11) для каждого слоя можно написать :

q = l1 /d1( t1 - t2);  q = l2 /d2( t2 - t3);  q = l3 /d3 ( t3 t4)                   ( 1.14)

разрешив уравнения относительно разности температур и просуммировав правые и левые части этих равенств, получим q , Вт /м2:

                                     q = (t-t)/( d1 / l1 + d2 / l2 +d3 / l3 )   =   Dt/ SR,                           ( 1.15 )

где :

Dt      - температурный перепад , т.е. разность температур парных поверхностей стенки;

SR  - общее термическое сопротивление многослойной стенки, равное сумме термических сопротивлений отдельных слоев.

Для построения температурного поля многослойной стенки необходимо знать температуру на поверхности каждого слоя в отдельности, которая определяется из следующих очевидных равенств:

q=t1-t2/(d1 / l1)= t2-t3/(d2 / l2)и т.д.   ( 1.16)

Температурное поле многослойной стенки изобразится ломанной линией. Тепловой поток Q, Вт, через многослойную плоскую стенку определяется по формуле 2-13

Теплопроводность цилиндрической стенки (трубы)

Пусть имеется труба с внутренним диаметром d1 и внешним d2, соответственно r1 и r2 Труба состоит из материала с теплопроводностью l и имеет температуру внутренней стенки t1, температуру внешней-t2. Т.к. удельный поток q является переменным по толщине стенки, то следует рассматривать полный тепловой поток Q.

Выделим элементарный слой толщиной dr. Тогда, согласно 1.6 можно записать

Q=l (dt/dr)2prl1.17

Разделяя переменные и интегрируя, получим

t=(Q/2pl)lnr+C(1.18)

Откуда несложно получить тепловой поток, проходящий через 1 погонный метр боковой поверхности

Ql=2pl(t2-t1)/ln(d2/d1)(1.19)

Из формулы 1.18 видно, что температура в стенке трубы изменяется по логарифмическому закону. Это следует учитывать при толщине изоляции соизмеримой с диаметром  трубы. Для тонких стенок можно пользоваться формулой 1.12.

Лекция 6. 1.3.Конвективный теплообмен

Тепловой поток Q ,Вт, передаваемый при конвективном теплообмене, определяется по формуле Ньютона-Рихмана:

Q=αK(tЖ-tC)F                                                               ( 1.20)

, где αK – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи;

tЖ – температура теплоносителя; tC – температура поверхности стенки;                                F – поверхность соприкосновения со стенкой .

Формулу ( 1.21) можно использовать, как и при теплоотдаче от жидкости  или газа к стенке или наоборот.

Приняв F=1м2 , получим удельный тепловой поток q, Вт/м2:

q=α(tЖ-tC)                                                                   ( 1.21)

1/a=R- термическое сопротивление теплоотдачи

Физическая модель конвективного теплообмена

    Пусть унас имеется        нагретая поверхность омываемая холодным потоком жидкости или газа. Тогда тепловой поток от поверхности будет направлен в сторону жидкости , и по мере движения, жидкость будет нагреваться. Возле стенки формируется гидродинамический пограничный слой, в котором происходит сдвиговое течение, т.е на стенке частицы прилипают wСТ=0. по мере удаления скорость увеличивается и за пограничным слоем остается постоянной w=w0. Под воздействием температурного напора формируется тепловой пограничный слой, в реальных жидкостях его толщина dТ соизмерима с гидродинамическим dГ. Для него характерно – температура на стенке равна tСТ, в пограничном слое параболически изменяется и за погранслоем остается постоянной t0. Вследствие  сдвигового течения (слои не смешиваются)  в погранслое, теплота поперек движения распространяется теплопрововодностью а в продольном направлении- переносится потоком (конвекцией).

Наличие теплового погранслоя можно определить чувствительной термопарой или поднеся ладонь к раскаленной плоскости (утюга) почувствовать резкое увеличение температуры-его толщина составляет 2-3мм.

По мере продвижения жидкости вдоль поверхности его толщина увеличивается до тех пор, пока не наступит переходный, а затем турбулентный режим. Произойдет разрушение (утоньшение) погранслоя. Локальный коэффициент теплоотдачи как и тепловой поток будет изменяться обратно пропорционально его толщине, что следует из закона Фурье q~1/dт .

Обтекание потоком нагретого цилиндра. Темные полосы соответствуют изотермам в потоке. Видно наростание погранслоя и отрыв нагретых слоев в корме.

Рис.

В целом такой сложный процесс называется конвективной теплоотдачей

Похожие материалы

Информация о работе