Отдача теплоты нагретым телом

Передача теплоты всегда идет от более нагретых тел к менее нагретым и происходит до тех пор, пока температура тел не сравняется. Чем выше температура нагретого тела, тем интенсивнее будет происходить передача теплоты. Различают три вида передачи теплоты – теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность. Это – свойство материала передавать теплоту от более нагретых мест к менее нагретым. Передача теплоты может происходить внутри одного тела, между двумя соприкасающимися телами и между двумя телами, разделенными третьим.

Количество теплоты Q, проходящей в единицу времени t от более нагретого участка к менее нагретому, пропорционально площадке (сечению) s, через которую передается теплота, перепаду температуры (Θ₁ – Θ₂)/ δ в направлении, перпендикулярном площадке, и зависит от теплопроводящих свойств среды λ:

(3-6)

где δ – толщина стенки (рис. 3-4).

Теплопроводящие свойства среды характеризуются коэффициентом теплопроводности, численно равным количеству теплоты, проходящей через площадку 1м² в течение 1 с при перепаде температуры 1 К/м. Этот коэффициент обозначается λ и измеряется в ваттах на метр-кельвин.

Если два тела с температурами Θ₁ и Θ₂ разделены третьим (плоской стенкой) с теплопроводностью λ и если считать, что теплота распространяется только в одном направлении, то изменение температуры в стенке происходит по прямой (рис. 3-4).

Рис. 3-4. Передача теплоты через плоскую стенку (теплота распространяется только в одном направлении)

Конвекция. Газ или жидкость, соприкасающиеся с поверхностью нагретого тела, нагреваются у этой поверхности. Нагрев соприкасающихся слоев происходит за счет теплопроводности. Нагретые слои становятся легче соседних, более холодных слоев окружающей среды, поднимаются вверх, уносят отобранную от нагретого тела теплоту, Указанный физический процесс и носит название теплоотдачи через конвекцию.

Если скорость движения частиц охлаждающей среды определяется только степенью их нагрева у поверхности горячего тела, то конвекция называется естественной.

Если скорость движения частиц охлаждающей среды задается принудительно (при помощи вентиляторов, насосов), то конвекция называется искусственной.

Как при естественной, так и при искусственной конвекции движение газа (жидкости) может быть ламинарным или турбулентным.

Ламинарным называется такое движение, при котором частицы газа (жидкости) движутся параллельно. Ламинарное движение имеет обычно малую скорость. С ростом скорости характер движения жидкости изменяется, элементарные струйки перестают двигаться по параллельным траекториям и начинают завихряться. Их движение становится турбулентным (вихревым). Переход из ламинарного движения в турбулентное происходит для данного газа (жидкости) при некоторой скорости, называемой критической.

В области ламинарного движения теплота, снятая с нагретого тела пограничным слоем, частично уносится этим слоем, а частично теплопроводностью передается соседним слоям. Чем дальше слой от поверхности нагретого тела, тем меньше он участвует в теплосъеме. При турбулентном движении за счет перемешивания с нагретой поверхностью соприкасается гораздо больше жидкости (газа), снятая теплота интенсивнее передается всему потоку охлаждающей среды. В итоге и съем теплоты с нагретой поверхности идет намного интенсивнее, чем при ламинарном движении.

Количество теплоты, отдаваемой конвекцией за время t,

(3-7)

где k _к. – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²· К); Θ₁ – температура нагретого тела, °С; Θ₂ – температура охлаждающей среды, °С; F – поверхность теплоотдачи, м².

Коэффициент теплоотдачи конвекцией k _к определяет количество теплоты, которая отдается в секунду с 1м² нагретой поверхности при разности температур поверхности и охлаждающей среды 1 °С. Он зависит от многих факторов, главные из которых – скорость движения и теплоемкость охлаждающей среды, температура поверхности и среды, геометрические размеры нагретой поверхности.

Тепловое излучение. Излучение представляет собой процесс переноса тепловой энергии от нагретого тела к телам, расположенным в окружающем пространстве. Процесс осуществляется электромагнитными колебаниями с различной длиной волны. В наибольшей степени переносят тепловую энергию инфракрасные лучи (длина волны 0,8 – 40 мкм), в меньшей степени – световые лучи (длина волны 0,4 – 0,8 мкм).

Физические свойства тепловых и световых лучей сходны. И те и другие распространяются со скоростью света, способны претерпевать преломление и отражение при встрече с какими-то поверхностями.

Поверхность, которая отражает от себя все падающие на нее лучи, называется абсолютно белой поверхностью. Поверхность, полностью поглощающая все падающие на нее лучи, называется абсолютно черной. К таким поверхностям (телам) близки ламповая сажа, асбошифер, черная матовая краска. Будучи нагретым, абсолютно черное тело излучает такое же количество энергии, которое оно поглощает.

Абсолютно черное тело обладает максимальной способностью излучения, и основные законы излучения выведены для него. Излучательная способность других тел сравнивается с излучательной способностью абсолютно черного тела как эталоном.

Количество теплоты, излучаемой с поверхности нагретого тела в 1 с, определяется формулой-

(3-8)

где k _л – коэффициент излучения, Вт/(м²·К⁴); k _л = 5,7σ, здесь σ – постоянная излучения (см. таблицы в справочниках); Θ₁ – температура нагретого тела. К; Θ₂ — температура тел, на которые падают лучи, К.

Теплоотдача в установившемся режиме. Теплоотдача с поверхности тела обычно происходит одновременно конвекцией и тепловым излучением. При этом трудно установить, какая часть теплоты передается в окружающую среду тем или другим видом теплоотдачи. Поэтому вводят понятие коэффициента теплоотдачи k _т.

Таблица 3 – 1

Поверхность и её характеристика	k т, Вт/(м^2·К)
в воздухе при естественной циркуляции	в масле при естественной циркуляции
Горизонтальные стержни круглой меди диаметром 1 – 6см	13 – 3,5	–
Плоские шины красной меди, поставленные на ребро	6 – 9	–
Чугунная, стальная или железная поверхность, тонко прошпаклёванная и покрытая лаковой краской	10 – 14	–
Любая поверхность, покрытая лаком	12 – 16	–
Фарфоровые цилиндры, погруженные в бак с маслом	–	50 – 150
Обмотка с бумажной изоляцией	10 – 12,5	25 – 36
Пакет листового железа	10 – 12,5	70 – 90

Коэффициент теплоотдачи (табл. 3-1) определяет количество теплоты, которая отдается в окружающую среду за 1 с всеми видами теплоотдачи с 1м²

теплоотдающей поверхности при разности температур нагретого тела и окружающего пространства 1 К. Коэффициент теплоотдачи измеряется в ваттах на квадратный метр-кельвин.

В выражениях (3-6)-(3-8) количество теплоты, отдаваемой в единицу времени, Q/t = Ф представляет собой тепловой поток через площадку s (поверхность F), а отношение Ф/ s = Ф₀ (Ф/ F =Ф₀) – плотность теплового потока.

Дата добавления: 2014-10-15