Основные понятия о теплопередаче. Определение теплопередача

2. Основные понятия о теплопередаче

	q =	Q	=-λ	∂t		(2)
		F τ		∂n
	Величина q называется плотностью теплового потока					(удельным теп-

ловым потоком).

Знак минус, стоящий перед правой частью уравнений (1) и (2), указывает на то, что тепло перемещается в сторону падения температуры.

Коэффициент пропорциональности λ называетсякоэффициентом теп-

лопроводности, (Вт/м · К), (Дж/м · с · К).

Таким образом, коэффициент теплопроводности λ показывает,какое ко-

личество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 градус на единице длины нормали к изотермической поверхности. Величина λ, харак-

теризующая способность тела проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и некоторых других факторов. При обычных температурах и давлениях лучшими проводниками

тепла являются металлы и худшими – газы. Так, ориентировочные значения λ (Вт / м · К) для металлов при 00С составляют: для чистой меди – 394; для углеродистой стали– 52; длялегированнойстали– 25.

Для воздуха при 00Сλ ≈ 0,027 Вт / м · К. Низкой теплопроводностью обладают теплоизоляционные и многие строительные материалы. Этот факт объясняется тем, что эти материалы имеют пористую структуру, причем в их ячейках заключен воздух, плохо проводящий тепло. Коэффициенты теплопроводности газов возрастают с повышением температуры. Для большинства жидкостей

значения λ, наоборот, уменьшаются при увеличении температуры. Следует отметить, что при определении количества тепла, передаваемого через слой газа или капельной жидкости вследствие теплопроводности, часто бывает необходимо учитывать влияние также конвекции и излучения, которые сопутствуют теплопроводности.

Уравнение теплопроводности плоской стенки

Рассмотрим передачу тепла теплопроводностью через плоскую стенку (рис. 1), длина и ширина которой несравненно больше ее толщины (δ), ось «х» расположена по нормали к поверхности стенки. Температуры наружных поверхностей стенки равны tст1 и tст2 , причем tст1 > tст2. При установившемся процессе количества тепла, подведенного к стенке и отведенного от нее, должны быть равны между собой и не должны изменяться во времени.

studfiles.net

Основы теплопередачи

«ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ»

7. 1. Основные понятия и определения

К тепловым процессам относят процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты – нагревание, охлаждение, конденсация и испарение.

Тепловые процессы часто сопутствуют другим технологическим процессам: химическим превращениям, разделению гомогенных смесей, сушке и т.д., которые сопровождаются подводом или отводом тепла.

Для тепловых процессов в химической промышленности характерны широкий диапазон изменения температуры (от нескольких тысяч градусов до близких к абсолютному нулю) и количеств передаваемой теплоты. Такой широкий диапазон требует применения различных способов передачи теплоты и материалов, которые наилучшим способом обеспечивают этот процесс.

Производства химической технологии, требующие больших затрат тепловой энергии, обычно комплексно связаны с тепловыми энергетическими установками. Рациональное расходование теплоты – важный экономический показатель эффективности работы аппаратуры и организации технологического процесса.

Перенос теплоты, происходящий между телами с различной температурой, носит название теплообмена.В соответствии со вторым законом термодинамики перенос тепла самопроизвольно происходит от тела с более высокой температурой к телу с меньшей температурой. Таким образом, причиной направленного теплопереноса является разность температур–температурный напор, который есть движущей силой переноса тепла. При выравнивании температур наступает равновесие.

Тела, участвующие в переносе тепла, называюттеплоносителями.

Перенос теплоты может осуществляется различными способами. В зависимости от механизма различают три способа теплопереноса: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность– это перенос тепла при непосредственном соприкосновении тел с различной температурой, когда перенос энергии осуществляется микрочастицами за счет их «теплового» движения. В чистом виде теплопроводность наблюдается в твердых телах, а в жидкостях и газах – лишь в неподвижных средах. При этом в жидкостях и твердых телах (диэлектриках) перенос энергии осуществляется путем упругих волн, в газах – путем диффузии атомов или молекул, а в металлах, путем диффузии свободных электронов.

Конвективныйперенос теплоты обусловлен массовым движением макрочастиц среды – теплота переносится движущейся средой. Такой способ теплопереноса возможен лишь в жидкостях и газах, при этом всегда сопровождается теплообменом между частицами посредством теплопроводности. В свою очередь, конвекция бывает свободной и вынужденной.Свободная конвекцияпроисходит в результате разности плотностей жидкости или газа в различных точках занимаемого ими объема вследствие разных температур,вынужденная– когда перемещение частиц жидкости или газа происходит под действием внешних сил (с помощью насосов, компрессоров).

Тепловое излучение– это перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, сопровождаемый переходом лучистой энергии в тепловую и наоборот. Этот вид переноса тепла имеет место между телами любого агрегатного состояния независимо от того, удалены ли они друг от друга или соприкасаются между собой.

В реальных условиях теплота чаще всего передается одновременно двумя или даже тремя способами. Однако обычно преимущественное значение имеет какой-нибудь один способ.

Наиболее распространенным случаем в практике является перенос тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называют теплопередачей. Процесс теплопередачи включает три стадии: 1) перенос теплоты средой, имеющей более высокую температуру, стенке; 2) перенос теплоты в стенке; 3) перенос теплоты от нагретой стенки к среде с более низкой температурой. Перенос теплоты в стенке происходит путем теплопроводности. Передача теплоты от теплоносителя к стенке и от нагретой стенки к более холодной среде называюттеплоотдачей.

Особое место среди тепловых процессов занимают процессы, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния теплоносителей (кипение, конденсация пара и т.д.).

В процессе переноса теплоты температура в общем случае изменяется в пространстве и во времени:

где t– температура;x,у,z– координаты;– время. Пространство с различными температурами в отдельных его точках является температурным полем. Изменение температуры в данной точке пространства со временем характеризуютмгновенными температурами.

Процессы, в которых поля температур постоянны во времени, являются установившимисяилистационарными. Они соответствуют непрерывно действующим аппаратам. Если же распределение температур в телах, участвующих в теплообмене, изменяется во времени, то процесс считаетсянеустановившимсяилинестационарным. Такие процессы протекают в аппаратах периодического действия.

Рисунок 7.1 – К определению температурного градиента

Геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру, образуетизотермическую поверхность. Так как в одной и той же точке пространства одновременно не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности разных температур друг с другом не пересекаются. Все они либо замыкаются на себя, либо кончаются на границах тела. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности. При этом наиболее резкое изменение происходит в направлении нормалиnк изотермическим поверхностям (рис. 7.1).

Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормалиназываюттемпературным градиентом:

Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности. Его положительным направлением считается направление в сторону возрастания температуры. Значение температурного градиента, взятое с обратным знаком, называют падением температуры.

Количество тепла, проходящее через данную поверхность за время , называюттепловым потокомQ[Дж]. Тепловой поток, проходящий в единицу времени через 1 м2поверхности, носит название удельноготеплового потокаq.

Величина теплового потока зависит от теплофизических свойств теплоносителя. Непосредственное влияние на процесс переноса тепла оказывают температура, теплоемкость, температуропроводность, энтальпия, теплота фазового превращения.

studfiles.net

это что такое? Виды, способы, расчет теплопередачи

Теплопередача - это важный физический процесс. Он предполагает перенос теплоты и является сложным процессом, который состоит из совокупности простых превращений.

Существуют определенные виды теплопередачи: конвекция, теплопроводность, тепловое излучение.

Особенности процесса

Теория теплообмена является наукой об особенностях передачи теплоты. Теплопередача - это перенос энергии в газообразных, жидких, твердых средах.

Теория о теплоте появилась в середине XVIII века. Ее автором стал М. В. Ломоносов, который сформулировал механическую теорию теплоты, воспользовавшись законом сохранения и превращения энергии.

Варианты теплообмена

Теплопередача - это составная часть теплотехники. Разные тела могут обмениваться своей внутренней энергией в форме теплоты. Вариант теплообмена является самопроизвольным процессом передачи теплоты в свободном пространстве, который наблюдается при неравномерном распределении температур.

Разность в значениях температур является обязательным условием проведения теплообмена. Распространение тепла происходит от тел, имеющих более высокую температуру, к телам, обладающим меньшим ее показателем.

Результаты исследований

Теплопередача - это процесс переноса тепла и внутри твердого тела, но при условии, что есть разность температур.

Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что теплопередача ограждающих конструкций является сложным процессом. Для того чтобы упростить изучение сути явлений, связанных с передачей тепла, выделяют элементарные операции: кондукцию, излучение, конвекцию.

Теплопроводность: общая информация

Чаще всего используется какой вид теплопередачи? Переносом вещества внутри тела можно изменить температуру, например, нагревая металлический стержень, увеличить скорость теплового движения атомов, молекул, повысить показатель внутренней энергии, увеличить теплопроводность материала. По мере соударения частиц происходит постепенная передача энергии, в результате чего весь стержень меняет свою температуру.

Если рассматривать газообразные и жидкие вещества, то передача энергии путем теплопроводности в них имеет незначительные показатели.

Конвекция

Такие способы теплопередачи связаны с переносом теплоты при движении в газах или жидкостях из области с одним температурным значением в область с другим ее показателем. Существует подразделение конвекции на два вида: вынужденную и свободную.

Во втором случае происходит перемещение жидкости под воздействием разности в плотностях ее отдельных частей из-за нагревания. К примеру, в помещении от горячей поверхности радиатора холодный воздух поднимается вверх, получая от батареи дополнительное тепло.

В тех случаях, когда для перемещения тепла необходимо применение насоса, вентилятора, мешалки, ведут речь о вынужденной конвекции. Прогревание по всему объему жидкости в этом случае происходит существенно быстрее, нежели при свободной конвекции.

Излучение

Какой вид теплопередачи характеризует изменение температурного показателя в газообразной среде? Речь идет о тепловом излучении.

Именно оно предполагает перенос тепла в виде электромагнитных волн, подразумевающий двойной переход тепловой энергии в излучение, затем обратно.

Особенности передачи тепла

Для того чтобы проводить расчет теплопередачи, необходимо иметь представление о том, что для теплопроводности и конвекции нужна материальная среда, а для излучения в этом нет необходимости. В процессе теплообмена между телами наблюдается уменьшение температуры у того тела, у которого этот показатель имел большую величину.

На такую же точно величину повышается температура холодного тела, что подтверждает полноценный процесс обмена энергией.

Интенсивность теплообмена зависит от разности в температурах между телами, которые обмениваются энергией. Если она практически отсутствует, процесс завершается, устанавливается тепловое равновесие.

Характеристика процесса теплопроводности

Коэффициент теплопередачи связан со степенью нагретости тела. Температурным полем называют сумму показателей температур для разных точек пространства в определенный момент времени. При изменении значения температуры в единицу времени поле является нестационарным, для неизменной величины – стационарным видом.

Изотермическая поверхность

Независимо от температурного поля, всегда можно выявить точки, имеющие одинаковое температурное значение. Геометрическое расположение их образует определенную изотермическую поверхность.

В одной точке пространства не допускается одновременного нахождения двух разных температур, поэтому изотермические поверхности не могут пересекаться между собой. Можно сделать вывод о том, что изменение в теле значения температуры проявляется лишь в тех направлениях, которые пересекают изотермические поверхности.

Максимальный скачок отмечается в направлении нормали к поверхности. Температурный градиент представляет собой отношение наибольшего показателя температур к промежутку между изотермами и является векторной величиной.

Он показывает интенсивность изменения температуры внутри тела, определяет коэффициент теплопередачи. То количество теплоты, которое будет переноситься через любую изотермическую поверхность, называют тепловым потоком.

Под его плотностью подразумевают отношение к единице площади самой изотермической поверхности. Эти величины являются векторами, противоположными по направлению.

Закон Фурье

Он является основным законом теплопроводности. Суть его заключается в пропорциональности плотности теплового потока градиенту температуры.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность тел пропускать теплоту, он зависит от физических свойств вещества и его химического состава, влажности, температуры, пористости. Влага при заполнении пор стимулирует повышение теплопроводности. При высокой пористости внутри тела содержится повышенное количество воздуха, что сказывается на уменьшении показателя теплопроводности.

Определенный коэффициент сопротивления теплопередаче есть у всех материалов, найти его можно в справочниках.

Теплопроводность в твердой стенке

В качестве обязательного условия для данного процесса считается разность температур поверхностей стенки. В такой ситуации образуется поток теплоты, который направлен от стенки с большим значением температуры к поверхности стенки с небольшой температурой.

По закону Фурье тепловой поток будет пропорционален площади стенки, а также температурному напору, и обратно пропорционален толщине этой стенки.

Приведенное сопротивление теплопередаче зависит от теплопроводности материала, из которого изготовлены стенки. Если они включают в себя несколько разных слоев, их считают многослойными поверхностями.

В качестве примера подобных материалов можно назвать стены домов, где на кирпичный слой наносят внутреннюю штукатурку, а также внешнюю облицовку. В случае загрязнения наружной поверхности передающей тепловую энергию, к примеру, радиаторов либо двигателей, грязь можно рассмотреть как наложение нового слоя, имеющего незначительный коэффициент теплопроводности.

Именно из-за этого снижается теплообмен, возникает угроза перегревания работающего двигателя. Аналогичный эффект вызывает нагар и накипь. При увеличении количества слоев стенки растет ее максимальное термическое сопротивление, уменьшается величина теплового потока.

Для многослойных стенок распределение температуры является ломаной линией. Во многих теплообменных аппаратах осуществляется прохождение теплового потока через стенки круглых трубок. Если нагревающее тело движется внутри таких трубок, то в таком случае тепловой поток направлен к наружным стенкам от внутренних частей. При наружном варианте наблюдается обратный процесс.

Теплопередача: особенности процесса

Существует взаимодействие между тепловым излучением, конвекцией, теплопроводностью. Например, в процессе конвекции происходит тепловое излучение. Теплопроводность в пористых материалах невозможна без излучения и конвекции.

При проведении практических вычислений деление сложных процессов на отдельные явления не всегда целесообразно и возможно. В основном результат суммарного воздействия нескольких простейших явлений приписывают тому процессу, который считается основным в конкретном случае.

Второстепенные процессы при таком подходе учитывают только для количественных вычислений.

В современных теплообменных аппаратах происходит передача теплоты от одного вида жидкости к другой жидкости через стенку, которая их разделяет. Важным фактором, который влияет на коэффициент теплообмена, является форма стенки. Если она плоская, в таком случае можно выделить три этапа теплопередачи:

к поверхности стенки от нагревающей жидкости;теплопроводностью через стенку;к нагреваемой жидкости к поверхности стенки.

Полное термическое сопротивление теплопередачи является величиной, которая обратна коэффициенту теплопередачи.

Заключение

Теплопроводность является процессом передачи внутренней энергии от нагретых участков тела к его холодным частям. Подобный процесс осуществляется с помощью беспорядочно движущихся атомов, молекул, электронов. Такой процесс может происходить в телах, которые имеют неоднородное распределение значений температур, но будет отличаться в зависимости от агрегатного состояния рассматриваемого вещества.

Можно рассматривать данную величину в качестве количественной характеристики способности тела к провождению тепла. Удельной теплопроводностью называют количество тепла, которое может проходить через материал, имеющий толщину 1м, площадь 1 м²/сек.

Долгое время считали, что существует взаимосвязь между передачей тепловой энергии и перетеканием от тела к телу теплорода. Но после проведения многочисленных экспериментов была выявлена зависимость подобных процессов от температуры.

В реальности при проведении математических расчетов, касающихся определения количества теплоты, передаваемой разными способами, учитывают проводимость путем конвекции, а также проникающее излучение. Коэффициент теплопередачи связан со скоростью передвижения жидкости, характером движения, его природой, а также с физическими параметрами движущейся среды.

В качестве носителей лучистой энергии выступают электромагнитные колебания, имеющие разную длину волн. Излучать их могут любые тела, температура которых превышает нулевое значение.

Излучение является результатом процессов, происходящих внутри тела. При попадании его на другие тела наблюдается частичное ее поглощение и частичное поглощение телом.

Закон Планка определяет зависимость плотности поверхностного потока излучения черного тела от абсолютной температуры и длины волны.

Простейшие виды теплообмена, которые были рассмотрены выше, не существуют по отдельности, они взаимосвязаны друг с другом. Сочетание их является сложным теплообменом, который предполагает серьезное изучение и детальное рассмотрение.

В теплотехнических расчетах используют суммарный коэффициент передачи тепла, который представляет собой совокупность коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, которое учитывает теплопроводность, конвекцию, излучение.

При правильном подходе и учете отдельных тепловых явлений можно с высокой достоверностью рассчитать количество теплоты, переданное телу.

www.aktivno.net

Коэффициент теплоотдачи, формула и примеры

Определение и формула коэффициента теплоотдачи

Конвективный теплообмен — обмен теплотой между частями жидкости (газа), имеющими разную температуру или между жидкостью (газом) и твердым телом. Конвективный теплообмен между жидкостью и твердым телом называют теплоотдачей.

Этот коэффициент часто используют в гидроаэродинамике, когда исследуют конвективный теплообмен. Часто ее обозначают буквой . Коэффициент равен:

   

где — плотность теплового потока, — температурный напор. Величина q — это количество теплоты, которое передается через единичную площадь поверхности тела в единицу времени. находят как модуль разности температур жидкости и поверхности тела. Иногда температурный напор находят, например, в случае обтекания тела потоком сжимаемой жидкостью, считают равным модулю разности температуры жидкости далеко от тела и температурой поверхности тела, которая была бы в отсутствии теплообмена.

Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости потока носителя тепла, вида течения, какова геометрия поверхности твердого тела и т.д. Это сложная величина и ее невозможно определить общей формулой. Обычно коэффициент теплоотдачи находят экспериментально.

Так, для условий свободной конвекции воздуха: (Вт/м2К), воды: (Вт/м2К). При вынужденной конвекции величины коэффициента теплоотдачи колеблются в пределах: для воздуха: (Вт/м2К), для воды: (Вт/м2К).

Формула Ньютона-Рихмана

Коэффициент теплоотдачи входит в выражение для потока тепла в веществе жидкой или газообразной среды с интенсивным изменением температуры при увеличении расстояния от охлаждаемого или нагреваемого объекта:

   

где — количество теплоты, которая отводится от поверхности, имеющую площадь S, — температура вещества (жидкости, газа), — температура поверхности тела. Выражение (2) называется формулой Ньютона — Рихмана.

Так как интенсивность теплообмена может изменяться при передвижении вдоль площади соприкосновения жидкого носителя с поверхностью твердого тела, вводят местный коэффициент теплоотдачи, который равен:

   

На практике чаще применяют средний коэффициент теплоотдачи , вычисляя его по формуле:

   

где температуры берут средние для поверхности и для вещества.

Дифференциальное уравнение теплоотдачи

Дифференциальное уравнение теплоотдачи показывает связь между коэффициентом теплоотдачи и полем температур среды (жидкости или газа):

   

где , — градиент температуры, индекс n=0 значит то, что градиент берут на стенке.

Критерий Нуссельта

Критерий Нуссельта () является характеристикой теплообмена на границе между жидкостью и стеной:

   

где — характерный линейный размер, — коэффициент теплопроводности жидкости. Для стационарного процесса критерий Нуссельта находят, используя критериальное уравнение конвективного теплообмена:

   

где постоянные. — критерий Рейнольдса, — критерий Прандтля, — критерий Грасгофа.

Коэффициент теплоотдачи и его связь с коэффициентом теплопередачи

Коэффициентом теплопередачи через плоскую стенку связан с коэффициентами теплоотдачи выражением:

   

где — коэффициент теплоотдачи от первой среды к стенке, — коэффициент теплоотдачи от стенки ко второй среде, — толщина стенки, — коэффициент теплопроводности стенки.

Единицы измерения

Основной единицей измерения коэффициента теплоотдачи в системе СИ является:

=Вт/м2К

Примеры решения задач

ru.solverbook.com

теплопередача - это... Что такое теплопередача?

 теплопередача

3.20 теплопередача: Теплообмен между двумя средами через разделяющую их жалюзи-роллету.

Теплопередача - перенос теплоты через ограждающую конструкцию от среды с более высокой температурой к среде с более низкой температурой.

Теплопередача - перенос теплоты через ограждающую конструкцию от взаимодействующей с ней средой с более высокой температурой к среде с другой стороны конструкции с более низкой температурой.

3.1 теплопередача: Перенос теплоты от одной окружающей среды через ограждающую конструкцию к другой окружающей среде.

3.2 теплопередача: Перенос теплоты через ограждающую конструкцию от взаимодействующей с ней среды с более высокой температурой к среде с более низкой температурой другой стороны конструкции.

3.17 теплопередача: Перенос теплоты через ограждающую конструкцию от взаимодействующей с ней средой с более высокой температурой к среде с другой стороны конструкции с более низкой температурой.

3.2 теплопередача: Перенос теплоты через ограждающую конструкцию от среды с более высокой температурой к среде с более низкой температурой.

3.1 теплопередача: Перенос теплоты через ограждающую конструкцию от взаимодействующей с ней средой с более высокой температурой к среде с другой стороны конструкции с более низкой температурой.

3.21. Теплопередача: перенос теплоты через ограждающую конструкцию от взаимодействующей с ней среды с более высокой температурой к среде с другой стороны конструкции с более низкой температурой.

Смотри также родственные термины:

3.14 теплопередача светопрозрачной ограждающей конструкции : Перенос теплоты через светопрозрачную конструкцию от среды с более высокой температурой к среде с более низкой температурой.

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. academic.ru. 2015.

Синонимы:

• Теплоотражающий экран светового прибора
• теплопередача светопрозрачной ограждающей конструкции

Смотреть что такое "теплопередача" в других словарях:

• теплопередача — теплопередача …   Орфографический словарь-справочник

• Теплопередача — Теплопередача  физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого либо материала. Когда физические тела… …   Википедия

• ТЕПЛОПЕРЕДАЧА — теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их тв. стенку или через поверхность раздела между ними. Т. включает в себя теплоотдачу от более горячей жидкости или газа к стенке, теплопроводность в стенке, теплоотдачу от стенки к более… …   Физическая энциклопедия

• Теплопередача — – перенос теплоты через ограждающую конструкцию от среды с более высокой температурой к среде с более низкой температурой. [ГОСТ 26602.1 99] Теплопередача – теплообмен между теплоносителем и бетоном через разделяющую их твердую стенку …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

• ТЕПЛОПЕРЕДАЧА — теплообмен между двумя теплоносителями или иными средами через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними. Интенсивность теплопередачи характеризуется коэффициентом теплопередачи, равным плотности теплового потока на… …   Большой Энциклопедический словарь

• ТЕПЛОПЕРЕДАЧА — ТЕПЛОПЕРЕДАЧА, теплопередачи, мн. нет, жен. (физ.). Передача теплоты от одного тела к другому. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 …   Толковый словарь Ушакова

• ТЕПЛОПЕРЕДАЧА — совокупность явлений, при к рых имеет место перенос тепла из одной части пространства в другую. Перенос может происходить различными способами: теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием. Теплопроводность явление непосредственной передачи… …   Технический железнодорожный словарь

• теплопередача — сущ., кол во синонимов: 2 • передача (85) • теплообмен (4) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 …   Словарь синонимов

• теплопередача — Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твёрдую стенку или через поверхность раздела между ними [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)] Тематики термодинамикахолодильная техника EN heat …   Справочник технического переводчика

• Теплопередача —         Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твёрдую стенку или через поверхность раздела между ними. Т. включает в себя теплоотдачу (См. Теплоотдача) от более горячей жидкости к стенке, Теплопроводность в стенке,… …   Большая советская энциклопедия

normative_reference_dictionary.academic.ru

1. Основы теории теплопередачи

Часть II. Теплотехника

1.1.Виды теплообмена

Теплопередача – это учение о процессах переноса теплоты. Самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с

неоднородным полем температуры называют теплообменом.

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и теплообмен излучением.

Теплопроводность – это перенос теплоты в среде посредством хаотического (теплового) движения макрочастиц (молекул, атомов).

Конвективный теплообмен - это перенос теплоты, осуществляемый движущимися макроскопическими элементами среды с одновременной теплопроводностью.

Теплообмен излучением – перенос теплоты посредством электромагнитного поля.

Большое практическое значение имеет конвективный теплообмен между движущейся жидкостью и поверхностью ее раздела с другой стороны. Например, конвективный теплообмен между жидкостью и поверхностью твердого тела, между газом и поверхностью капельной жидкости.

Различают два вида конвекции (т. е. движения жидкости) – свободную и вынужденную.

При свободной конвекции движущая сила обусловлена разностью плотностей жидкости в месте его контакта с поверхностью тела, имеющей другую температуру, и вдали от этой поверхности. Из-заразности плотностей возникают подъемные (архимедовы) силы.

Такая конвекция происходит, например, в сосуде с жидкостью, в которою погружена нагревательная спираль.

Вынужденная конвекция происходит под действием внешней движущей силы. При этом жидкость обтекает поверхность, имеющую более высокую или более низкую температуру, чем температура самой жидкости. Скорость движения жидкости при вынужденной конвекции больше, чем при свободной, поэтому при заданном перепаде температур может быть передано больше теплоты. Возрастание теплового потока связано с необходимостью рас хода энергии, затраченной для приведения жидкости в движение.

Совокупность двух или трех видов теплообмена называют сложным теплообменом.

Изучение закономерностей сложного теплообмена представляет собой довольно трудную задачу. Поэтому каждый из трех видов теплообмена изучают отдельно, после чего становится возможным вести расчеты, относящиеся к сложному теплообмену.

Многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом вещества

– массообменом. Совместное протекание процессов теплообмена и массообмена называются тепломассообменом.

1.2. Температурное поле

Температурным полем называется совокупность значений температуры в данный момент времени во всех точках изучаемого пространства. В общем

случае уравнение температурного поля имеет вид:
t=F(x, y, z, τ),	(1.1)

где t – температура среды;

x,y,z – координаты точки среды;τ – время.

Температурное поле, изменяющееся во времени, называется нестационарным, а температурное поле, не изменяющееся во времени, -

стационарным.

Стационарное температурное поле описывается зависимостью:

t =f (x ,y ,z) ;	∂t	= 0.	(1.2)
	∂τ

Температурное поле, описываемое выражениями (1.1) и (1.2) является трехмерным. Если температурное поле изменяется только по двум координатам, то оно называетсядвухмерным и описывается зависимостью:

	t =f (x ,y ,z) ;	∂t	= 0.	(1.3)
		∂z

Температурное поле, изменяющееся по одной координате, называется одномерным и выражается в виде:

	t =f (x ,τ) ,	∂t	=	∂t	= 0.	(1.4)
		∂y		∂z

Одномерное стационарное поле имеет вид:

	t =f (x ) ;	∂t	= 0	∂t	=	∂t	= 0	(1.5)
		∂τ		∂y		∂z

Температурное поле можно охарактеризовать с помощью изотермических поверхностей. Изотермической поверхностью называется геометрическое место точек, имеющих в данный момент времени одинаковую температуру.

Изотермические поверхности, соответствующие разным температурам, не могут пересекаться между собой. Они могут замыкаться сами на себя либо оканчиваться на поверхности тела.

При пересечении изотермических поверхностей с какой-либоплоскостью, например, с плоскостью чертежа, они оставляют на этой плоскости следы в виде семейства кривых, называемых изотермами.

Рассмотрим две изотермы, температуры которых отличаются на малую величину t (рис. 1.1).

рис.1.1

Наибольшие изменения температуры будет происходить по направлению

→

нормали n к изометрической поверхности. Градиент температуры есть вектор, направленный по нормали к изометрической поверхности в сторону возрастания температуры.

Он определяется выражением:

grad t=	→	(1.6)
	n 0 (∂t /∂n ),
→	нормальный	и направленный в сторону
где n - единичный вектор,

возрастания температуры.

Производная температуры по направлению ∂t /∂l зависит от направления,

→	→
задаваемого вектором l . Например, для направления	m она равна нулю, а

→

для направления n - максимальная. Именно эта максимальная производная∂t /∂n и определяет длину вектораgrad t. Эта длина (модуль вектора) равна:

gradt = ∂t∂x+ ∂t∂y+ ∂t∂z.

→

Направление вектора grad t дается единичным векторомn 0.

1.3. Закон Фурье. Теплопроводимость

Связь между количеством теплоты dQ, которое за времяdτ проходит через элементарную площадкуdF, расположенную на изотермической поверхности, и градиентом температурыdt/dn устанавливается законом Фурье:

	dQ = −λdF	∂t	∂τ,	(1.7)
		∂n

Множитель пропорциональности λ в выражении 1.7 определяется физическими свойствами среды, в которой происходит распространение теплоты, и называется теплопроводностью.

Справедливость закона Фурье (1.7) подтверждается экспериментальными данными.

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу

→

площади изотермической поверхности q Вm/м2, называетсяплотностью теплового потока:

→	→	(1.8)
q =dQ/dFdτ= - λ gradt= - λn (∂t /∂n )

→

Вектор q направлен по нормали к изотермической поверхности. Его

положительное направление совпадает с направлением максимального убывания температуры, так как теплота передается от более нагретой области к менее нагретой, в соответствии со вторым законом термодинамики.

→

Следовательно, вектор q иgradt лежат на одной прямой, но направлены в

противоположные стороны, поэтому в правой части уравнения (1.7) стоит знак

– «минус».

Если в каждой точке температурного поля провести элементы нормали n к изотермическим поверхностям, то получится семейство ломаных линий, которые при беспредельном уменьшении отрезковn превратятся в кривые,

называемые линиями теплового потока.

Линии теплового потока ортогональны к изотермическим поверхностям

(рис. 1.2).

рис.1.2

Модуль вектора q равен:

→

q = −λ(∂t /∂n ).

Количество теплоты, Вт, проходящей в единицу времени через изотермическую поверхность площадью F, называется тепловым потоком и определяется из выражения:

Q = ∫qdF= −∫λ( dt / dn )dF

(1.9)

F F

Полное количество теплоты, Дж, проходящей через изотермическую поверхность площадью F, за время τ, равно:

Qτ=− λ∫τ	∫ (∂t /∂n )∂Fdτ	(1.10)
0	F

Из уравнения 1.6 следует, что теплопроводность:

→

λ= q / grad t.

Следовательно, теплопроводность численно равна количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу изотермической поверхности при градиенте температуры, равном 1К/м.

Единица измерения теплопроводности Вт/(м·К). Чем больше λ, тем большей способностью проводить теплоту обладает тело. В общем случае теплопроводность для данного тела не является величиной постоянной. Для твердых тел λ зависит от температуры, а для жидких и газообразных – еще и от давления.

Для металлов (кроме алюминия) теплопроводность с увеличением температуры несколько убывает. Это означает, что холодный металл проводит теплоту лучше, чем нагретый.

Теплопроводность металлов колеблется в пределах 2,3-420Вт/(м·К).

Для изоляционных и огнеупорных материалов λ при повышении температуры возрастает. Это объясняется структурой материалов, которая не представляет собой монолитной массы. Однако при лучистом теплообмене, эффективная теплопроводимость (с учетом излучения) увеличивается при повышении температуры пористого тела.

Для таких материалов λ зависит не только от свойств материала, но и от степени его уплотненности, что в свою очередь характеризуется плотностью. Кроме того, на теплопроводность пористых материалов влияет влажность, с увеличением которой теплопроводность возрастает.

Например, для сухого кирпича λ=0.35Вт/(м·К), для воды λ=0,58Вт/(м·К). Для газов с увеличением температуры теплопроводность также возрастаем

в пределах 0,06-0,6вт/(мК), а от давления практически не зависит.

Для капельных жидкостей λ=0,09-0,7Вт/(м·К).С увеличением температуры уменьшается, за исключением воды, которая с ростомt от 0 до 1500 С λ возрастает, а далее уменьшается.

studfiles.net

Понятие о теплообмене и его видах

Согласно второму закону термодинамики, если в теле или в какой-либо термодинамической системе тел возникала разность температур, то из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой будет передаваться тепловая энергия. В этом случае говорят, что между указанными областями возник теплообмен.

Известные законы и зависимости термодинамики позволяют определить как количество тепловой энергии, передаваемой в результате теплообмена, так и температуру тел, участвующих в нем. Эти законы, кроме того, позволяют найти также скорость передачи тепловой энергии и время, за которое произойдет выравнивание температур.

Указанные процессы исследует раздел теплотехники — теория теплообмена.

Тела или области тел обмениваются между собой тепловой энергией тремя способами:

- теплопроводностью,

- конвекцией (перемешиванием),

- излучением.

На этих трех способах основаны все виды теплообмена. Основных видов теплообмена пять.

 

Два простых вида теплообмена:

- теплопроводность (название этого вида совпадает с названием способа, с помощью которого этот обмен осуществляется)

- тепловое излучение;

и три сложных:

- конвективный теплообмен,

- теплоотдача,

- теплопередача.

Рассмотрим способы обмена тепловой энергией.

Теплопроводность — способ теплообмена, основанный на передаче энергии теплового движения микрочастиц путем их соударений. Микрочастицы движутся со скоростями, пропорциональными их абсолютной температуре. В результате их столкновений происходит передача тепловой энергии в отдельно взятом теле из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой. Передача тепловой энергии от одного тела к другому в вакууме осуществляется только при контакте тел.

Итак, теплопроводность — это перенос тепловой энергии соударением микрочастиц. В металлах, например, этими частицами являются свободные электроны, в жидкостях и газах — молекулы.

Конвекция (от латинского convectio — принесение, доставка) — способ теплообмена, при котором передача тепловой энергии осуществляется путем переноса макроскопических тел из областей тела с высокой температурой в области с низкой температурой. Конвекция свойственна только жидкостям и газам. Перенос обусловлен градиентом давления в жидкости или газе, который вызван наличием либо сил тяжеcти (естественная конвекция), либо источников энергии, приводящих жидкость или газ в движение, например, насосов, вентиляторов и т. п. (вынужденная конвекция).

Естественная конвекция вызывается силами Архимеда, которые «выталкивают» из зоны нагрева более горячие, а, следовательно, как правило, и более легкие области жидкости, которые, уступая место более холодным областям, переносят тепловую энергию.

Вынужденная конвекция тем интенсивнее, чем больше градиент давления, создаваемый в жидкости, и чем меньше ее вязкость.

Естественная конвекция по сравнению с теплопроводностью значительно быстрее осуществляет теплообмен в жидкости, так как при наличии первой из областей с высокой температурой в области с низкой температурой переносятся значительные массы нагретой жидкости или газа. Это делает теплообмен более эффективным, чем перенос тепловой энергии соударением микрочастиц.

Пример 10.1. Если при наличии сил тяжести нагревать жидкость или газ в сосуде не внизу сосуда, как это обычно делается, а вверху, то конвекция будет отсутствовать. Прогрев жидкостей или газов в этом случае крайне замедляется вследствие их ничтожной теплопроводности.

В свою очередь, вынужденная конвекция вызывает еще более интенсивный теплообмен, чем естественная, так как первая приводит к более высоким скоростям перемешивания жидкостей и газов, чем последняя.

Тепловое излучение — способ теплообмена, основанный на способности всех тел при определенных условиях излучать энергию в виде электромагнитных волн (фотонов) и частиц вещества (например, нейтронов, осколков ядер при ядерных реакциях и т. п.). При этом излучающее тело теряет тепловую энергию и при этом охлаждается, а тело, которое поглощает излучение, нагревается.

Этот способ является единственным способом передачи тепловой энергии от одних тел к другим в вакууме.

Рассмотрим основные виды теплообмена.

Простые виды теплообмена — теплопроводность и тепловое излучение — не требуют пояснений. Следует только отметить, что тепловым излучением называется вид теплообмена, основанный на излучении и поглощении тепловой энергии только в виде электромагнитных волн (фотонов). Теплообмен, основанный на излучении и поглощении частиц вещества (нейтронов и т. п.), здесь не рассматривается.

Сложные виды теплообмена требуют пояснений.

Так, конвективный теплообмен — это сложный вид обмена тепловой энергией, основанный на двух способах теплообмена: конвекции и теплопроводности. Необходимость рассмотрения конвекции и теплопроводности в одном виде теплообмена обусловлена тем, что при конвекции (перемешивании и переносе) обязательно имеет место контакт макрочастиц, который приводит к возникновению теплопроводности. Обратное условие не соблюдается, это хорошо видно в примере 10.1.

Теплоотдача — сложный вид теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью (или газом); контактирующей с этой поверхностью. Этот вид теплообмена можно рассматривать как наиболее часто встречающийся случай конвективного теплообмена между твердым телом и жидкостью.

Теплопередача — сложный вид теплообмена между двумя жидкостями через твердую стенку. В основе его лежат явления теплопроводности через стенку и теплоотдачи между стенкой и жидкостью.

На практике часто встречаются случаи более сложных видов обмена тепловой энергией, основанных на всех трех способах теплообмена. В этих случаях, однако, сложные виды теплообмена разделяют на более простые. В частности, тепловое излучение или, как его еще называют, лучистый теплообмен, рассматривают независимо от других видов обмена теплом.

Введем ряд понятий и определений, которыми будем пользоваться в теории теплообмена.

Количественной характеристикой переноса теплоты является удельный тепловой поток.

Удельный тепловой поток — это количество тепловой энергии, передаваемой через поверхность с единичной площадью в единицу времени:

Заметим, что q является векторной величиной и имеет направление в сторону понижения температуры.

Совокупность значений температуры во всех точках пространства (или тела) в определенный момент времени называется температурным полем.

Различают стационарные (температура которых во всех точках не меняется с течением времени t) и нестационарные температурные поля (для которых T=f(t)).

Поверхности пространства, все точки которых имеют одинаковую температуру, называются изотермическими.

 

Похожие статьи:

poznayka.org

---

• 
  Карбюратор к 126 г устройство ремонт регулировка
• 
  Ремонт коленчатого вала
• 
  Коэффициент использования грузоподъемности
• 
  У автомобиля две передние фары в каждой из которых по одной лампе
• 
  Колесо из чего состоит
• 
  Крановый крюк
• 
  Обязанности автослесаря по ремонту автомобилей
• 
  Пневматические шины это
• 
  Основное время технологическое
• 
  Трактор из чего состоит
• 
  Подъемные ручные механизмы