Способы распространения теплоты в пространстве.

Самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным распределением температуры называется теплообменом. Теплообмен может осуществляться тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением (радиацией).

Теплопроводность – это процесс распространения теплоты за счет непосредственного соприкосновения тел или части тела друг с другом. Она обусловлена движением молекул и возможна в твердых, жидких и газообразных средах.

Конвекция – это процесс переноса теплоты, движущийся жидкостью движения среды, тем интенсивнее конвекция.

Тепловое излучение (радиация) – это распространение теплоты в пространстве по средствам электромагнитных волн.

Основной закон теплопроводности – закон Фурье устанавливает взаимосвязь между тепловым истоком, вызванным теплопроводностью, и температурными неоднородностями в среде.

Под градиентом температуры понимают вектор, в направлении нормам к изотермической поверхности в сторону увеличения температуры и численно равный частной производной от температуры по этому направлению.

grad t = dt/dn 1ñ, где:

1ñ единичный вектор, направленный по нормам ñ в сторону возрастания температуры.

Плотность теплового потока прямо пропорциональна градиенту температур

ğ = -λ grad t = -λ dt/dn

Знак – в этом уравнении отражает  направленность векторов grad t и g.

Вектор grad t по определению направлен в сторону возрастания температуры, вектор ğ – в сторону ее убыванию.

Анализирую последнее выражение, можно установить физический смысл коэффициента теплопроводности λ. Теплопроводность – это количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу поверхности при градиенте температуры, равном единице.

Теплопроводность является физическим параметром вещества, характеризующим способность проводить теплоту. Она является функцией природы вещества, температуры и давления.

Для газов λ = 0,006 – 0,6 Вт (м*к), он почти не зависит от давления и увеличивается к повышением температуры.

Теплопроводность жидкостей λ = 0,07 – 0,7 Вт(м*к). с увеличением температуры она, как правило, уменьшается (кроме воды и глицерина), а с повышением давлением увеличивается.

 

Конвективный теплообмен.

Конвективный теплообмен между движущийся средой (жидкостью или газом) и поверхностью раздела, например стенкой – называется теплоотдачей.

В газах и жидкостях наряду с передачи теплоты теплопроводностью существует и второй вид передачи теплоты конвекцией. Процесс передачи теплоты конвекцией связан с переносом самой средой.

Поверхностная плотность теплового потока, передаваемого конвекцией q =L(t₁-t₂) – закон Ньютона - Рихмана. Где L – коэффициент теплопередачи [Вт/(м³*⁰с)]

t₁-t₂ - разность температуры между газом и твердым телом.

Коэффициент теплопередачи зависит от формы, размера и температуры поверхности твердого тела и от скорости, температуры, теплоёмкости и теплопроводности движущегося газа. Коэффициент теплопередачи учитывает передачу теплоты конвекцией и теплопроводностью.

Коэффициент теплоотдачи при свободном движении газа зависит от расположения поверхности в пространстве.

В связи с трудностями аналитического или численного расчета коэффициента передачи, на практике широкое распространение получила теория подобия.

Геометрическое подобие выражается в пропорциональности сходных линейных размеров тел.

Для подобия явлений требуется, чтобы были подобны поля всех физических величин, существенных для процесса. Для подобных явлений должны быть равны критерии подобия – безразмерные комплексы, составленные из размерных физических величин, существенных для данного процесса.

Теория подобия используется для обобщения результатов экспериментального исследования и получения расчетных зависимостей. Полученные с ее использованием критериальные уравнения справедливы только в исследованном диапазоне изменения определяющих критериев подобия, поэтому их … за указанные пределы может привести к значительным ошибкам в расчетах.

 

Лучистый теплообмен.

Тепловое излучение представляет собой процесс превращения внутренней энергии излучающее тело в энергию электромагнитных колебаний. Излучение электромагнитных волн свойственно всем телам. Они обладают как волновым, так и корпускулярными свойствами, а именно непрерывностью электромагнитных волн и дискретностью испускаемых частиц – фотонов.  

Передача теплоты излучением от одного тела к другому происходит следующим образом. Часть тепловой энергии тела превращается в лучистую энергию и в виде электромагнитных волн распространяются в пространстве со скоростью света. Выделяя на своем пути твердые, жидкие или газообразные тела, тепловые лучи частично поглощаются, частично отражаются и в некоторых случаях частично проходят сквозь эти тела. Поглощенные лучи снова превращаются в тепловую энергию

gд

gk

g0

gА

 

Общее количество теплоты, излучаемое поверхностью F в единицах времени, называют лучистым тепловым потоком g.

Величину лучистого теплового потока, отнесенную к единице поверхности, называют поверхностной плотностью лучистого теплового потока E.

E = g/F.

Допустим, что на тело падает лучистый поток g₀, часть которого g_А поглощается телом, часть g_R – обращается и часть g_Д  - пропускается, т.е.

g_А+ g_R+ g_{Д =} g₀

или

g_А/ g₀₊ g_R/ g₀₊ g_Д/ g₀ = 1

введем следующее отношение:

g_А/ g₀ = А - координат поглощения.;

g_R/ g₀ = R - коэффициент отражения;

g_Д/ g₀ = Д – коэффициент пропускания;

Тогда A+R+Д = 1

Если А=1, то R = Д = 0; это означает, что вся лучистая энергия поглощается.

 Таким свойством обладает абсолютное черное тело. Если R = 1, то А=Д=0, то есть лучистая энергия отражается. Таким свойством обладает зеркальное тело, если отражение происходит согласно закону геометрической оптики, и так называемое абсолютное белое тело, если отражение диффузные (рассеянное). Если Д=1, то А=R=0. В этом случае вся лучистая энергия полностью проходит сквозь тело. Таким свойством обладает абсолютно прозрачное тело.

Представление об абсолютно черном, зеркальном и прозрачном телах является условными. Реальные тела одновременно отражают, поглощают и пропускают лучистую энергию. Твердые и жидкие тела лучистую энергию практически не пропускают, т.е. Д=0;А+R=1. газообразные тела, наоборот, хорошо пропускают лучистую энергию и плохо ее поглощают. Двухатомные газы О₂, N₂, CO, воздух считаются прозрачными, а трехатомные H₂O, CO₂, SO₂ – полупрозрачными.

 

Вопросы для самоконтроля

1) Какие существуют виды передачи теплоты в пространстве?

2) Конвективный теплообмен. Закон Ньютона - Рихмана.

3) Что такое критерии подобия?

4) Какие тела называются абсолютно черными, абсолютно белыми, серыми?

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

Основная

1. Луканин В.Н. Теплотехника /В.Н. Луканин, М.Т. Шатров, С.Т. Негаев и др. – М.: Высшая школа, 2000. – 671с.

 

Дополнительная

1. Драгонов Б.Х. Теплотехника и применение теплоты в сельском хозяйстве./ Б.Х. Драгонов, А.В. Кузнецов, С.П. Рудобашта. - М.: Агропромиздат, 1990.-228с.

2. Кирушатов А.И. Тепломассообменное оборудование. Тепломассообмен./А.И. Кирушатов, Н.Н.Морозова. Саратов, СГАУ, 2006.-144с.

 

Лекция 6

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА.

 

Основные понятия.

Разделение общего процесса переноса тепла на элементарные явления – теплопроводность, теплоотдачу, излучение – провести не всегда возможно. В действительности эти процессы протекают одновременно и влияют друг на друга. Таковым является процесс теплопередачи - теплоперенос от горячего теплоносителя к холодному через твердую стенку.

Тепловой поток теплопередачей определяется из выражения:

Ф = k*F*(t₁-t₂),

где: k – коэффициент теплопередачи, Вт/м³k;

F – площадь поверхности теплопередачи;

t₁ – температура греющей среды;

t₂ – температура нагреваемой среды.

Теплопередача включает в себя теплоотдачу от горячей жидкости к стенке, теплопроводность через стенку и теплоотдачу от стенки к холодной среде. Поэтому коэффициент теплопередачи определяется как функция коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности:

k = f (d₁, d₂, λ).

Расчетные выражения для подсчета коэффициента теплопередачи учитывают конструкцию стенки: плоская она или цилиндрическая, однослойная или многослойная и т.д.