Теплопередача, её предмет и метод, формы передачи теплоты

Наука, именуемая теплопередачей, изучает законы и формы распределения теплоты в пространстве. В отличие от термодинамики, которая имеет дело с количеством теплоты, теплопередача оперирует понятием тепловой поток, т. е. количеством тепла, отдаваемым или принимаемым телом в единицу времени. Если ни в одно из уравнений термодинамики время не входит, то в уравнениях теплопередачи время присутствует как в явной, так и в скрытой форме.

Под процессом переноса теплоты понимается обмен внутренней энергией между элементами системы в форме теплоты. Перенос теплоты осуществляется тремя основными видами — теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением, которые различаются между собой физической сущностью процесса переноса теплоты или, как говорят, механизмом теплообмена.

Теплопроводность представляет собой процесс переноса теплоты структурными частицами вещества — молекулами, атомами, электронами в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температуры, но механизм переноса теплоты зависит от вида агрегатного состояния вещества. Таким образом, теплопроводность — это молекулярный процесс передачи тепловой энергии (теплоты). В жидких и твердых телах (диэлектриках) перенос теплоты осуществляется путем упругих волн. В газообразных телах распространение теплоты происходит посредством диффузии молекул и атомов, а также за счет обмена энергией при соударении молекул. В металлах распространение теплоты происходит в основном в результате диффузии свободных электронов и упругих колебаний кристаллической решетки, причем последнее имеет второстепенное значение.

Под конвекцией понимают процесс переноса тепловой энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область — с другой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Конвекция возможна только в текучей среде и всегда сопровождается теплопроводностью.

Теплообмен излучением связан с переносом энергии фотонов с помощью электромагнитных волн, возникающих в результате сложных молекулярных и атомных возмущений. Этот вид теплообмена осуществляется последовательно в три этапа: внутренняя энергия нагретого тела преобразуется в энергию излучения, которая распространяется в пространстве и, поглощаясь поверхностью, переходит во внутреннюю тепловую энергию холодного тела.

В природе и технике процессы распространения теплоты — теплопроводность, конвекция и тепловое излучение — как правило, протекают совместно, сопровождая друг друга. Например, процесс передачи теплоты от поверхности к омывающей жидкости происходит совместно теплопроводностью и конвекцией, т. е. это сложный процесс теплообмена, который называется конвективным теплообменом или теплоотдачей.

В цилиндре двигателя имеют место все три формы теплопередачи. Передача теплоты от рабочих газов к стенкам цилиндра происходит как излучением, так и путем конвективного теплообмена. Через стенки цилиндра теплота передается теплопроводностью. От наружных стенок втулки и крышки к охлаждающей жидкости и от наружных стенок днища поршня к охлаждающему маслу теплота передается конвективным теплообменом, при воздушном охлаждении этих деталей — теплоотдачей и излучением.

В радиаторах масла и циркуляционной системе охлаждающей жидкости теплота передается теплоотдачей и теплопроводностью; от наружных стенок радиатора к воздуху — теплоотдачей и излучением. В различных деталях ДВС в процессе их работы формируются температурные поля, зависящие от условий выделения тепловой энергии в виде потерь и от условий отвода этой энергии от деталей ДВС. Это оказывает существенное влияние на прочность деталей и их долговечность. Таким образом, тепловые режимы всех агрегатов и узлов автомобиля в конечном итоге оказывают существенное влияние на эксплуатационные характеристики автотранспорта.

Огромное значение процессы теплообмена имеют при бурении скважин, разработке месторождений, транспорте углеводородов и в других областях техники.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Температурное поле

Процесс теплопроводности, как и другие виды теплообмена, может иметь место только при наличии разности температур, согласно второму закону термодинамики. В общем случае этот процесс сопровождается изменениями температуры как в пространстве, так и во времени. Поэтому исследование теплопроводности сводится к изучению пространственно-временного изменения температуры, т. е. к нахождению уравнения

t = ƒ(x, y, z, τ).                                      (4.1)

Уравнение (4.1) представляет математическое выражение температурного поля, следовательно, температурное поле есть совокупность значений температуры во всех точках изучаемого пространства для каждого момента времени. Различают стационарное и нестационарное температурные поля. Уравнение (4.1) является записью наиболее общего вида температурного поля, когда температура изменяется с течением времени и от одной точки к другой. Такое поле отвечает неустановившемуся тепловому режиму теплопроводности и носит название нестационарного (неустановившегося) температурного поля.

Если тепловой режим является установившимся, то температура в каждой точке пространства с течением времени остается неизменной и такое температурное поле называется стационарным (установившимся). В этом случае температура является функцией только координат и не зависит от времени:

t = ƒ₁(x, y, z);            ¶t/¶τ = 0.                   (4.2)

Температурное поле, соответствующее уравнениям (4.1) и (4.2), является пространственным, так как температура является функцией трех координат, однако она может изменяться в зависимости от одной, двух или трех координат. В соответствии с этим различают одномерные, двухмерные и трехмерные температурные поля, как стационарные, так и нестационарные.

Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля:

t = ¦₂(x); ¶t/¶t = 0; ¶t/¶y = 0; ¶t/¶z = 0.         (4.3)

Температурный градиент

Температурное поле тела характеризуется серией изотермических поверхностей. Под изотермической поверхностью понимают геометрическое место точек температурного поля, имеющих одинаковую температуру. Изотермические поверхности не пересекаются, не обрываются внутри тела — они либо оканчиваются на поверхности тела, либо целиком располагаются внутри самого тела, замыкаясь сами на себя. Пересечение изотермических поверхностей плоскостью дает на этой плоскости семейство изотерм (рис. 4.1).

                             Рис. 4.1. Изотермы тела

 

По расположению изотерм тела можно оценить интенсивность изменения температуры в различных направлениях. На рис. 4.2 приведены изотермы, температуры которых отличаются на Dt.

Рис. 4.2. К определению температурного градиента

Как видно из рис. 4.2, температура в теле изменяется только в направлениях, пересекающих изотермические поверхности, при этом интенсивность изменения температуры в каком-либо направлении характеризуется производной ¶t/¶x, принимающей наибольшее значение в направлении нормали к изотермической поверхности.

Возрастание температуры в направлении нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры.

Градиент температуры есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный производной от температуры по этому направлению, т. е.:

grad t =                                        (4.4)

где  — единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры.

Тепловой поток. Закон Фурье

Необходимым условием распространения теплоты является неравномерность распределения температуры в рассматриваемой среде, т. е. grad t ¹ 0.

В 1807 г. французский математик Фурье высказал гипотезу о прямой пропорциональности вектора теплового потока градиенту температуры. Впоследствии эта гипотеза была экспериментально подтверждена и получила название закона Фурье. Согласно этому закону, полное количество теплоты Q_t, прошедшее за время t через изотермическую поверхность Н, равно:

, Дж.                                      (4.5)

Количество теплоты, проходящее через произвольную изотер-мическую поверхность Н в единицу времени, называется тепловым потоком:

, Вт.                                (4.6)

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока:

, Вт/м².                                    (4.7)

Вектор плотности теплового потока направлен по нормали к изотермической поверхности, его положительное направление совпадает с направлением убывания температуры, так как теплота всегда распрост-раняется от более горячих частей тела к холодным, согласно второму закону термодинамики. Таким образом, векторы , grad t лежат на одной прямой, но направлены в противоположные стороны, что и объясняет наличие знака «минус» в правых частях уравнений (4.5), (4.6) и (4.7).

Рис. 4.3. Изотермы и линии теплового потока

Линии теплового потока дают наглядное представление о распространении теплоты в теле (рис. 4.3).