Теплопроводность. Теплопередача изучает законы и способы переноса теплоты

Способы переноса теплоты

Основы теплопередачи

Теплопередача изучает законы и способы переноса теплоты. Согласно второму закону ТД, самопроизвольный перенос теплоты происходит от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Под полным тепловым потоком понимают количество теплоты, проходящее в единицу времени через поверхность величиной F

Q = q F Вт,

где q – плотность теплового потока

Вт/м

В ТП существуют три фундаментальных закона и несколько способов переноса теплоты.

Основные законы теплообмена

Теплопроводность	Конвективный теплообмен	Тепловое излучение	Теплопередача
Теплопроводность - перенос теплоты в твердых, жидких или газообразных веществах на молекулярном уровне от большей температуры к меньшей. Закон Фурье     где - (Вт/м град) коэффициент теплопроводности, зависящий от физических свойств вещества, от температуры и от давления для газа. Выбирается по справочнику:   - характерный размер стенки	Конвекция – способ переноса теплоты в движущейся среде мольными объемами. Свободная (за счет разности плотностей), вынужденная (за счет приложения внешних сил - разности давлений) Закон Ньютона - Рихмана   где - (Вт/м град) коэффициент теплоотдачи, зависящий от вида конвекции, от физических свойств среды, от режима движения жидкости: вихревое – турбулентное, безвихревое – ламинарное, от формы и размеров поверхности. - находится из опытных уравнений подобия Nu = f(Re,Gr,Pr)	Излучение – передача теплоты за счет электромагнитных волн (инфракрасное тепловое излучение λ=0,4-800 мкм). Плотность теплового потока прямо пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры Закон Стефана - Больцмана где e –степень черноты излучающего тела, e<1. Абсолютно черное тело имеет 100% поглощение. C =5,67 Вт/м К - постоянная Стефана – Больцмана. Высокотемпературные процессы дают основную долю теплоты в виде излучения.	Теплопередача – передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделительную стенку   где k– (Вт/м град) коэффициент теплопередачи. Теплота от горячего теплоносителя отдается стенке конвекцией или излучением, через стенку теплота передается теплопроводностью; от наружной поверхности стенки холодному теплоносителю излучением или конвекцией

Температурное поле – совокупность значений температур для всех точек тела в каждый момент времени. Если соединить точки тела с одинаковой температурой, то получим изотермическую поверхность.

Теплопроводность определяется законом Фурье – плотность теплового потока прямо пропорциональна градиенту температуры

Вт/м

где знак (-) указывает, что тепловой поток и градиент температуры направлены противоположно. Тепловой поток – в сторону убывания температуры, градиент – в сторону возрастания температуры.

Дифференциальное уравнение теплопроводности

Изменение температуры во времени прямо пропорционально сумме вторых производных от температуры по всем координатам.

В общем виде:

Где а – коэффициент температуропроводности, физический смысл которого: показывает отношение способности тела проводить теплоту к способности ее аккумулировать; кроме того, характеризует скорость изменения температуры внутри нагреваемого тела

м /с

Если = 0, то температура с течением времени остается постоянной, такой процесс называется стационарным.

Если температура изменяется по одной координате, то температурное поле будет одномерное и дифференциальное. уравнение записывается:

Для того чтобы решить дифференциальное уравнение теплопроводности, необходимо задать условия однозначности, в которые входят геометрические, физические, начальные и граничные условия, т.е. необходимо задать размеры образца, геометрические характеристики, физические свойства, температуры в начале процесса и условия теплообмена на поверхностях тела.

Граничные условия могут быть заданы несколькими способами..

1. Граничные условия первого рода задаются температурой поверхности в виде функции от координат и времени t_с=f(x,y,z,).
2. Граничные условия второго рода задаются плотностью теплового потока в виде функции от координат и времени q_с=f(x,y,z,).
3. Граничные условия третьего рода задаются температурой окружающей среды t_ж и законом теплообмена поверхности со средой.

Передача теплоты через стенки

Граничные условия первого рода	Граничные условия третьего рода
Однослойная плоская стенка
Плотность теплового потока равна Вт/м Полный тепловой поток Q=q F Вт где F – площадь поверхности (Вт/м град) – коэффициент теплопроводности	Теплопередача Вт/м где (Вт/м град) - коэффициент теплопередачи
Рис. Теплопередача через плоскую стенку
Многослойная плоская стенка
Вт/м^2,   Q=qF Bт	Вт/м Вт/м град Q=qF= kF t Вт
Однослойная цилиндрическая стенка
Тепловой поток рассчитываем с одного метра длины трубы Вт/м, Q=q l Изменение температуры внутри цилиндрической стенки по логарифмической кривой.	q =kl(tж1 – tж2) где - Вт/м град   Q=q l Вт
Многослойная (двухслойная)цилиндрическая стенка
	q =kl(tж1 – tж2)

Дата добавления: 2014-01-04