Теплопередача через плоскую стенку

Передача теплоты от одной подвижной среды (жидкости или газа) к другой через разделяющую их твердую стенку любой формы называется теплопередачей. Примером теплопередачи служит перенос теплоты от дымовых газов к воде через стенки труб парового котла, включающий в себя конвективную теплоотдачу от горячих дымовых газов к внешней стенке, теплопроводность в стенке и конвективную теплоотдачу от внутренней поверхности стенки к воде. Особенности протекания процесса на границах стенки при теплопередаче характеризуются граничными условиями третьего рода, которые задаются температурами жидкости с одной и другой стороны стенки, а также соответствующими значениями коэффициентов теплоотдачи.

Рассмотрим процесс теплопередачи через однородную плоскую стенку толщиной δ (рис.1). Заданы: коэффициент теплопроводности стенки λ, температуры окружающей среды t_ж1 и t_ж2, коэффициенты теплоотдачи α₁ и α₂. Необходимо найти тепловой поток от горячей жидкости к холодной и температуры на поверхностях стенки t_с1 и t_с2. Плотность теплового потока от горячей среды к стенке определится уравнением

При стационарном режиме этот же тепловой поток пройдет путем теплопроводности через твердую стенку и будет передан от второй поверхности стенки к холодной среде за счет теплоотдачи:

Перепишем приведенные уравнения в виде:

 

Складывая левые и правые части полученных равенств, запишем

Отсюда

,

(1)

 

где

.

(2)

 

 

Величина k называется коэффициентом теплопередачи, который выражает количество теплоты, проходящее через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между горячей холодной и горячей жидкостью, равной 1К (размерность Вт/(м²·К)). Величина обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением теплопередачи

(3)

 

Величины и называются термическими сопротивлениями теплоотдачи. Температуры на поверхностях однородной стенки определяются из уравнений:

(4)

(5)

 

66. Передача тепла через цилиндрическую стенку.

Особенность теплопередачи через цилиндрическую стенку заключается в том, что поверхности теплообмена снаружи и внутри трубы различны. Исходя из схемы передачи теплоты, представленной на рисунке 19.3,а, можно записать для теплового потока, передаваемого через цилиндрическую стенку, следующие формулы:

–Градиент температуры

67. Конвективный теплообмен.

Перенос тепла между поверхностью тела и жидкой средой.

Перенос осуществляется теплопроводностью и конвекцией.

Теплопроводность определяется коэфф. теплопроводности и температурным градиентом **

Конвекция возможна только в жидкостях и газах. Перенос тепла связан с переносом самой среды.

Свободная конвекция происходит вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц в поле жидкости.

Вынужденная возникает вследствие действия насосов.

Ламинарный режим- перенос тепла осуществляется путем теплопроводности.

Турбулентный- путем теплопроводности перенос тепла осуществляется только в вязком подслое, внутри турбулентного ядра перенос тепла осуществляется путем интенсивного перемещения частиц.

Коэфф.теплоотдачи: α = ʄ (ν, t_c, t_ж, λ, C_p, ρ, μ, a, Ф, l₁, l₂ …)

 

 

Подобие процессов конвективного теплообмена:

1) При вынужденном движении теплоносителя:

Геометрическое: подобие полей, скорости, температуры и давления во входном сечении.

Re=idem

Pr=idem

 

При равенстве Re условие равенства критериев Прандтля обеспечивает тепловое подобие – подобие полей температурных напоров и тепловых потоков.

У подобных процессов должны быть одинаковы определяемые критерии подобия.

Критерий Нуссельта – характеризует интенсивность процесса конвективного тепломена.

Nu= ʄ (Re, Pr)

 

2) При естественной конвекции

Геометрическое: подобие полей температуры на поверхности нагрева или охлаждения.

Gr=idem

Pr=idem

Критерий Грасгофа характеризует относительную эффективность подъемной силы, вызванную свободно конвективным движением среды.

Определяемые критерий подобия – критерий Нуссельта.

Nu= ʄ (Gr, Pr)

 

3) При совместном свободно-вынужденном движении

Nu= ʄ (Re, Gr, Pr)

При совместном свободно-вынужденном движении тепловые и гидромеханические процессы взаимствованы, поэтому определяемым гидромеханическим критерием является критерий Эйлера:

Еu= ν (Re, Gr, Pr)

 

68. Теплоотдача при обтекании плоской поверхности.

При движении жидкости вдоль плоской пластины происходит образование гидродинамического пограничного слоя.

В пределах слоя скорость движения жидкости изменяется от скорости невозмущенного потока на внешней границе до 0 на поверхности пластины.

По мере движения толщина пограничного слоя возрастает.

На небольшом расстоянии от передней кромки пластины пограничный слой очень тонкий, движение носит струйный ламинарный характер.

Далее на некотором расстоянии x_кр начинают возникать вихри и течение принимает турбулентный характер.

Вихри обеспечивают интенсивное перемещение, однако вблизи от поверхности они затухают, и здесь сохраняется тонкий вязкий слой.

q= α (t_c-t_ж)

α зависит от режима движения, расстояния от передней кромки и теплофизических св-в среды.

Около поверхности пластины образуется тепловой пограничный слой, в пределах которого температура меняется от t_c до t_ж.

Соотношение δ_л и Δ_л зависит от Pr, т.е. от теплофизических св-в теплоносителя.

При Pr =1, δ_л = Δ_л .

При ламинарном течении перенос тепла осуществляется путем теплопроводности.

При турбулентном пограничном слое основное изменение температуры происходит в пределах тонкого вязкого слоя.
69. Теплоотдача при течении жидкости в трубах.

1)Ламинарный режим, перенос тепла между слоями – теплопроводность.

У каждого слоя своя скорость движения. Есть место продольному конвективному переносу тепла. 1нач.трубы=0,05 d Re Pr

Изменение температуры- изменение вязкости.

Это приводит к изменению профиля скорости, это влияет на интенсивность теплообмена.

2) Турбулентный, перенос тепла- путем перемешивания.

По сечению ядра потока температура жидкости практически постоянная.

Резкое изменение происходит в тонком слое внутр.поверхности трубы.
70. Тепловое излучение. Основные законы.

 

Носители лучистой энергии: эл.магн.волны, УФ, рентгеновские лучи, инфракрасные, радиоволны.

Лучистый поток – поток фотов, энергия которых =hν, λν=c.

Лучи, возникновение которых определяется температурой и оптическими св-вами излучающегося тепла – световые (λ=0,4-0,8 мкм), тепловые(0,8-800 мкм), инфракрасные (0,8-800 мкм).

Законы распространения, отражения и преломления световых и тепловых лучей одинаковы.

Тепловое излучение свойственно всем телам, каждое из которых излучает энергию в окр.пространство. При попадании на другие тела эта энергия частично проходит сквозь тело. Поглощенная часть энергии превращается в тепловую.

Q- поток излучения

F- площадь

E-плотность потока излучения.

Интегральный поток- широкая часть спектра

Монохроматический поток- узкий спектр излучния

 

 

Q=Q_A+Q_R+Q_D

 

_{- абсолютно черное тело}

_{- абсолютно зеркальное, белое тело}

 

_{- абсолютно прозрачное тело}

 

_{ЗАКОНЫ:}