Основы теплообмена. Основные способы передачи тепла. Теплопроводность

3.ОСНОВЫ ТЕПЛООБМЕНА

Использована литература [2], [4], [5].

3.1 Понятия о процессах теплообмена

Теплообменом принято называть обмен тепловой энергией между физическими телами (или системами), вызванный наличием разности температур этих тел (систем). Такой перенос тепла в соответствии со вторым законом термодинамики имеет направление от более нагретых тел к менее нагретым.

При условии ограниченного количества передаваемой от источника энергии переход тепла в указанном направлении, очевидно, должен иметь результатом выравнивание температур участвующих в теплообмене тел и прекращение теплообмена. Это нестационарный и неравновесный процесс.

При наличии источников тепловыделения и равных им по мощности  источников поглощения возможно осуществление стационарного процесса теплообмена, протекающем при постоянстве  температур в отдельных точках тела.

Совокупность значений температур во всех точках рассматриваемого тела называют температурным полем.

3.2. Основные способы передачи тепла

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ представляет собой  форму обмена тепловой энергией  при непосредственном соприкосновении отдельных частей тела, имеющих различную температуру.

Передача тепла теплопроводностью в чистом виде большей частью наблюдается в твердых телах.

В газах и жидкостях теплопроводность проявляется в обмене теплом между соприкасающимися  микрочастицами вещества, не перемещающихся по отношению друг к другу.

КОНВЕКЦИЯ – это теплообмен, проявляющийся в реальных жидкостях или газах в форме переноса тепла при перемещении частиц или объемов вещества из одной температурной области в другую.

Бывает естественная конвекция ( примером служит передача тепла от стенки отопительной батареи к  воздуху в комнате) и вынужденная конвекция (передача тепла от горячей воды к стенке трубы, внутри которой она протекает).

ИЗЛУЧЕНИЕ представляет собой способ теплообмена путем распространения лучистой энергии, т.е. электромагнитных волн определенной длины.

Теплообмен излучением возможен как в вакууме, так и через  те промежуточные тела, которые прозрачны для указанного спектра электромагнитных волн ( 8´10^-10 ¸ 8´10^-4 м). Примером передачи тепла излучением может служить передача тепла от факела горящего в топке топлива (угольной пыли) к стенкам экранных труб, расположенных на стенах топки.

СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН осуществляется двумя или более способами одновременно. Пример: передача тепла излучением от факела горящего топлива к стенкам экранных труб, затем передача этого тепла теплопроводностью через стенки экранных труб, затем передача этого же тепла конвекцией от стенок экранных труб к воде  или пароводяной смеси, протекающим внутри экранных труб.

3.3 Теплопроводность

3.3.1. Некоторые понятия

Выше было дано понятие о температурном поле. Если температура любой точки тела  с течением времени не изменяется и, следовательно, она является функцией только пространственных координат, то такое температурное поле называется установившимся  или стационарным. Теплота всегда распространяется в сторону убывания температуры.

Количество теплоты, переносимое в течение единицы времени (секунды), называется мощностью теплового потока [Q] = Дж/с = Вт; тепловой поток, отнесенный к единице площади  F м²,  - удельная мощность теплового потока q:

q = Q/F,    Вт/м² .                                         (3.1)

3.3.2. Закон Фурье.

Основным законом теплопроводности  является закон  Фурье, математическое описание которого имеет  вид:

q =  - l ,  Вт/м².                                        (3.2)

По закону Фурье  удельная мощность теплового потока пропорциональна производной  от температуры по нормали к изотермической поверхности. Изотермическая поверхность – это поверхность, все точки которой имеют одну и ту же температуру.

Знак минус указывает на то, что векторы q  и  направлены в противоположные стороны (см. рис. 3.1).

l - физический параметр, называемый  коэффициентом теплопроводности, характеризующий способность вещества проводить тепло. Значение коэффициента теплопроводности представляет собой количество тепла, которое проходит за одну секунду  через 1 м² поверхности при падении температуры в один градус на 1 м  пути теплового потока.

[l] = Вт/ (м×град).

Для различных веществ коэффициент теплопроводности различен и для каждого из них зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры тела. В таблице 3.1 приведены коэффициенты теплопроводности  некоторых тел.

Аналитически для большинства  материалов зависимость коэффициента теплопроводности от температуры линейна:

l_t = l₀(1+bt),  Вт/(м×град);                                   (3.3)

l_t  коэффициент теплопроводности при температуре t, [t] =°С ;

l₀ – он же при 0°С;

b – постоянная, определяемая опытом.

3.3.3..Теплопроводность плоской стенки

Рассматриваем однородную плоскую стенку бесконечной длины, l = const по всей стенки, т.е. не зависит от температуры, геометрических координат и времени. t₁  и  t₂ – температуры поверхности стенки,   t₁>t₂, причем t₁ и t₂ – постоянные величины, процесс передачи тепла стационарный.