В1 виды передачи тепла

• Название: В1 виды передачи тепла
• Анкор: tgv_otvety.docx
• Дата: 09.05.2017
• Размер: 0.49 Mb.
• Имя файла: tgv_otvety.docx
• Тип: Документы; #7352
• страница: 1 из 6

В1 виды передачи тепла

Теория теплообмена – это наука о процессах переноса теплоты. Теплообмен представляет собой сложный процесс, который можно расчленить на ряд простых процессов. Различают три элементарных принципиально отличных один от другого процесса теплообмена – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность – происходит при непосредственном соприкосновении (соударении) частиц вещества (молекул, атомов, свободных электронов), сопровождающемся обменом энергии. Теплопроводность в газах и жидкостях незначительна. Значительно интенсивнее протекают процессы теплопроводности в твёрдых телах. Тела с малой теплопроводностью называют теплоизоляционными.

Конвекция – происходит лишь в жидкостях и газах и представляет собой перенос теплоты в результате перемещения и перемешивания частиц жидкости или газа. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью.

Если перемещение частиц жидкости или газа обуславливается разностью их плотностей (из-за разности температур), то такое перемещение называют естественной конвекцией.

Если жидкость или газ перемещаются с помощью насоса, вентилятора, эжектора и других устройств, то такое перемещение называют вынужденной конвекцией. Теплообмен происходит в этом случае значительно интенсивнее, чем при естественной конвекции.

Тепловое излучение состоит в переносе теплоты от одного тела к другому электромагнитными волнами, возникающих в результате сложных молекулярных и атомных возмущений. Электромагнитные волны распространяются от поверхности тела во все стороны. Встречая на своём пути другие тела, лучистая энергия может ими частично поглощаться, превращаясь снова в теплоту (повышая их температуру).

В2 Закон фурье и коэффициент теплопроводности

Изучая процессы распространения тепла в твёрдых телах, Фурье экспериментально установил, что количество переданного тепла пропорционально падению температуры, времени и площади сечения, перпендикулярного направлению распространению тепла.

Если количество переданного тепла отнести к единице сечения и единице времени, то можно записать:
(1.6)
Уравнение (1.6) является математическим выражением основного закона теплопроводности – закона Фурье. Этот закон лежит в основе всех теоретических и экспериментальных исследований процессов теплопроводности. Знак минус указывает, что вектор теплового потока направлен в сторону, противоположную температурному градиенту.

Коэффициент теплопроводности [1, с.57-58]

Множитель пропорциональности  в уравнении (1.6) является коэффициентом теплопроводности. Он характеризует физические свойства тела и способность его проводить тепло:
(1.7)
Величина  представляет собой количество тепла, которое проходит в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте равном единице.

Для различных веществ коэффициент теплопроводности различный и зависит от природы вещества, его структуры, влажности, наличия примесей, температуры и других факторов. В практических расчётах коэффициент теплопроводности строительных материалов надлежит принимать п СНиП II-3-79** «Строительная теплотехника».

Для примера:

• 
  для газов - =0,0050,5 [Вт/мС]
  
• 
  для жидкостей - =0,080,7 [Вт/мС]
  
• 
  строительные материалы и теплоизоляторы - =0,023,0 [Вт/мС]
  
• 
  для металлов - =20400 [Вт/мС]
  

В3 Теплопроводность

Теплопрово́дность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности (удельной теплопроводностью). Численно эта характеристика равна количеству теплоты, проходящей через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м², за единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте.

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением объектов занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании их температуры.

На практике нужно также учитывать проводимость тепла за счет конвекции молекул и проникаемости излучений. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепло может передаваться за счет излучения (пример — Солнце, установки инфракрасного излучения). А газ или жидкость могут обмениваться нагретыми или охлажденными слоями самостоятельно или искусственно (пример — фен, греющие вентиляторы). Так же в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепла, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

В4Конвективный теплообмен конвективный теплообмен может происходить только в подвижных средах – капельных жидкостях и газах. Обычно подвижную среду условно называют жидкостью независимо от агрегатного состояния вещества.

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

Q=F(t_ж-t), (2.1)

где:  - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²С;

F – площадь поверхности теплообмена, м²;

t_ж и t – соответственно температуры жидкости и поверхности стенки, С.

Разность температур (t_ж-t) иногда называют температурным напором.

Коэффициент теплоотдачи характеризует количество теплоты, которое передаётся конвекцией через единицу поверхности в единицу времени при температурном напоре в 1С и имеет размерность [Дж/см²С] или [Вт/м²С].

или кинематического (=/), коэффициента объёмного расширения ;

- скорости движения жидкости w;

- температур жидкости и стенки t_ж и t;

- формы и линейных размеров омываемой стенки (Ф, l₁ Величина коэффициента теплоотдачи зависит от множества факторов, а именно:

- характера (режима) движения жидкости (ламинарный или турбулентный);

- природы возникновения движения (естественное или вынужденное);

- физических свойств движущейся среды – коэффициента теплопроводности , плотности , теплоёмкости с, коэффициента вязкости динамического (), l₂,...).

Таким образом, в общем виде можно записать:=f(w,,с,,,,t_ж,t,Ф,l₁,l₂,...). (2.2)

Критерий Нуссельта. Устанавливает соотношение интенсивности переноса теплоты конвекцией () и теплопроводностью () на границе твёрдое тело – жидкость:Nu=l/. (2.3)

Критерий Прандтля. Характеризует механизмы переноса теплоты в жидкости (зависит от физических свойств жидкости):Pr=/a=c/. (2.4)

Величина a=/c носит название коэффициента температуропроводности.

Критерий Рейнольдса. Устанавливает соотношение инерционных и вязких сил в жидкости и характеризует гидродинамический режим движения жидкости. R=V*l/ню Re=wl/.

При Re<2300 режим движения ламинарный, при Re>10⁴ - турбулентный, при 2300<Re<10⁴ режим движения переходной от ламинарного к турбулентному.

Критерий Грасгофа. Характеризует соотношение подъёмных сил, возникающих вследствие разности плотностей жидкости и сил вязкости. Разность плотностей обусловлена различием температур жидкости в её объёме:Gr=gl³t/².

Во всех уравнениях, приведенных выше, величина l – характерный размер, м.

Уравнения, связывающие числа подобия, называются критериальными и в общем виде записываются следующим образом:Nu=f(Re,Gr,Pr). (2.7)

Критериальное уравнение конвективного теплообмена при вынужденном движении жидкости имеет вид:Nu=cRe^mGrⁿPr^p. (2.8)

А при свободном движении среды:Nu=dGr^kPr^r. (2.9)

В этих уравнениях коэффициенты пропорциональности c и d, а также показатели степени при критериях подобия m, n, p, k и r устанавливаются экспериментальным путём.

В5 теплообмен излучением

Носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания с различной длиной волн. Излучать электромагнитные волны способны все тела, имеющие температуру, отличную от абсолютного нуля. Излучение – это результат внутриатомных процессов. При попадании на другие тела энергия излучения частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Доли энергии поглощённой, отражённой и проходящей от количества её падающей на тело обозначаются соответственно A, R и D.

Очевидно, что A+R+D=1.

Если R=D=0, то такое тело называют абсолютно чёрным.

Если отражательная способность тела R=1 и отражение подчиняется законам геометрической оптики (т.е. угол падения луча равен углу отражения), то такие тела называются зеркальными. Если же отражённая энергия рассеивается по всем возможным направлениям, то такие тела называются абсолютно белыми.

Тела, для которых D=1 называют абсолютно прозрачными (диатермичными).

Законы теплового излучения [1, с.65-68]

Закон Планка устанавливает зависимость поверхностной плотности потока монохроматического излучения абсолютно чёрного тела E_0 от длины волны  и абсолютной температуры T.

Закон Стефана-Больцмана. Экспериментально (И.Стефан в 1879 г.) и теоретически (Л.Больцман в 1881 г.) установили, что плотность потока собственного интегрального излучения абсолютно чёрного тела E₀ прямо пропорциональна абсолютной температуре в четвёртой степени, т.е.:

или (2.10)

где ₀ – постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,6710^-8 Вт/м²К⁴;

С₀ – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, равный 5,67 Вт/м²К⁴.

Индекс «0» во всех приведенных уравнениях означает, что рассматривается абсолютно чёрное тело. Реальные тела всегда серые. Отношение =С/С₀ называют степенью черноты тела, оно изменяется в диапазоне от 0 до 1.

Применительно к серым телам закон Стефана-Больцмана приобретает вид: (2.11)

Величина степени черноты  зависит главным образом от природы тела, температуры и состояния его поверхности (гладкая или шероховатая).

Закон Ламберта. Максимальное излучение единицей поверхности происходит по направлению нормали к ней. Если Q_n - количество энергии, излучаемое по нормали к поверхности, а Q_ - по направлению, образующему угол  с нормалью, то, по закону Ламберта:Q_ =Q_ncos. (2.12)

Закон Кирхгофа. Отношение излучательной способности тела Е к его поглощательной способности А для всех тел одинаковое и равно излучательной способности абсолютно чёрного тела Е₀ при той же температуре:Е/А=Е₀=f(T).

В6Сложный теплообмен и теплопередача

Рассмотренные элементарные виды теплообмена (теплопроводность, конвекция и излучение) на практике, как правило, протекают одновременно. Конвекция, например, всегда сопровождается теплопроводностью, излучение часто сопровождается конвекцией. Сочетание различных видов теплообмена может быть весьма разнообразным, и роль их в общем процессе неодинакова. Это так называемый сложный теплообмен.

В теплотехнических расчётах при сложном теплообмене часто используют общий (суммарный) коэффициент теплоотдачи ₀, представляющим собой сумму коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, учитывающим действие конвекции, теплопроводности _к, и излучения _л, т.е ₀=_к+_л.

В этом случае расчётная формула для определения теплового потока имеет вид:
Q=(_к+_л)(t_ж-t_с)=₀(t_ж-t_с). (2.14)

Но если стенка омывается капельной жидкостью, например водой, то

_л=0 и ₀=_к. (2.15)