Краткие сведения о теплопередаче

Размещено на http://www.allbest.ru/

Краткие сведения о теплопередаче

Вопросы передачи теплоты, или теплового обмена, являются основными вопросами отопительной техники. Необходимым условием теплообмена между телами или веществами является наличие разности температур. Чем больше эта разность, тем интенсивнее происходит теплообмен. теплоотдача радиация жидкость проводимость

Различают три вида передачи теплоты: а) теплопроводностью, или кондукцией; б) конвекцией, или переносом теплоты движущимися частицами вещества; в) лучеиспусканием, или радиацией.

В большинстве случаев в различных тепловых процессах имеют место одновременно все три вида теплопередачи с преобладанием какого-либо из них.

Передача теплоты теплопроводностью. Такая передача осуществляется при непосредственном соприкосновении каких-либо двух тел или веществ. Теплопередача происходит внутри самого тела или вещества, которое проводит теплоту. В отопительной технике теплопередача теплопроводностью играет большую роль.

Теплопроводность обусловлена различием температур отдельных частей тела, поэтому можно считать, что распространение теплоты неразрывно связано с распределением температуры. Температурное поле, изменяющееся с течением времени, называют неустановившимся, или нестационарным. Если же температурное поле не меняется, его называют установившимся, или стационарным.

Для характеристики процесса распространения теплоты вводят понятие о тепловом потоке. Тепловой поток Q - это количество теплоты W, Дж, проходящей за время т, с, через данную поверхность в направлении нормали к ней:

(1)

Тепловой поток измеряют в ваттах (Вт).

Если количество переданной теплоты W отнести к площади поверхности F и времени т, то получим величину которую называют плотностью теплового потока, или удельным тепловым потоком, и измеряют в Вт/м².

(2)

Рассмотрим стационарный процесс распространения теплоты через однородную плоскую однослойную стенку (рис. 1а).

Рисунок 1а. Передача теплоты через плоскую стенку: а - однослойную; б - многослойную

Из закона распространения теплоты путем теплопроводности (закона Фурье) следует:

(3)

где W - количество переданной теплоты, Дж; л - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности, Вт/(м·К); t_с^l - температура одной поверхности стенки, К; t_с^ll - температура другой поверхности стенки, К; д - толщина стенки, м; F - площадь поверхности стенки, м²; ф - время, с.

Отсюда

(4)

т.е. коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени (1с) в теле через единицу поверхности (1 м²) при падении температуры на 1 К на 1 м пути теплового потока.

Если обе части уравнения (3) разделить на Ft, to получим

(5)

(6)

где д/л - термическое сопротивление теплопроводности.

Таким образом, плотность теплового потока q прямо пропорциональна разности температур на поверхностях стенки и обратно пропорциональна термическому сопротивлению теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности л у различных материалов неодинаков и зависит от их свойств, а у газообразных и жидких веществ - от плотности, влажности, давления и температуры этих веществ. При технических расчетах значения л выбирают по соответствующим справочным таблицам.

Рассмотрим теперь процесс передачи теплоты через многослойную стенку.

При стационарном режиме тепловой поток, проходящий через каждый отдельный слой, будет один и тот же. Тогда для каждого слоя в соответствии с формулой (6) можно записать:

Отсюда

Сложив правые и левые части этих уравнений, получим:

Следовательно, плотность теплового потока многослойной стенки

(7)

Из записанных уравнений для трех разностей температур можно получить формулы для вычисления промежуточных температур. Например:

и

Передача теплоты конвекцией

Конвекция - это перенос теплоты движущейся массой жидкости или газа из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, этот процесс называют конвективным теплообменом.

Теплоотдача конвекцией зависит от большого числа различных факторов:

характера конвекции - конвекции свободной, происходящей под действием внутренних сил, возникающих вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц, или вынужденной, происходящей под действием внешних сил - ветра, насоса, вентилятора;

режима течения жидкости - течения при малых скоростях параллельно-струйчатого характера без перемешивания (ламинарный режим) или течения при больших скоростях (течение неупорядоченное, вихревое), когда в теплоносителе наблюдаются вихри, перемещающие жидкость не только в направлении движения, но и в поперечном направлении (турбулентный режим);

скорости движения теплоносителя;

направления теплового потока (нагревание или охлаждение);

физических свойств теплоносителя - коэффициента теплопроводности, теплоемкости, плотности, вязкости, температурного напора, зависящего от разности температур теплоносителя и поверхности стенок;

площади поверхности стенки F, омываемой теплоносителем;

формы стенки, ее размеров и других факторов.

Расчет процесса конвективного теплообмена производят на основе закона Ньютона, который выражается формулой

(8)

где W - количество переданной теплоты, Дж; б - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м²·К); F - площадь поверхности теплообмена, м²; t и t_c^l - температуры соответственно жидкости и стенки, К; т - время, с.

Коэффициент теплоотдачи а показывает, какое количество теплоты передается от жидкости (греющего тела) к стенке или наоборот в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью стенки и жидкостью в 1 К.

Разделив обе части уравнения (8) на Ft, получим выражение для плотности теплового потока при теплоотдаче:

(9)

или

(10)

где 1/б - термическое сопротивление теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи а определяют опытным или аналитическим методом. Аналитический метод весьма сложен и не обеспечивает нужной точности.

Передача теплоты излучением

Все тела излучают электромагнитные волны. Излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул вещества вследствие их теплового движения, называют тепловым. Лучистый поток - это энергия излучения, Дж, проходящая в единицу времени (1 с) через поверхность площадью F, м², во всех направлениях пространства.

Излучение зависит от температуры тела: чем выше температура тела, тем интенсивнее испускание тепловых лучей.

Тела, полностью поглощающие падающую на них лучистую энергию, называют абсолютно черными. Тела, обладающие свойством полного и правильного отражения всей падающей лучистой энергии, называют зеркальными, а тела, обладающие свойством полного диффузного отражения этой энергии, называют абсолютно белыми. Тела, полностью пропускающие сквозь себя падающую лучистую энергию, называют абсолютно прозрачными, или проницаемыми.

Согласно закону Стефана-Больцмана полное количество энергии, излучаемой единицей поверхности абсолютно черного тела в единицу времени,

(11)

где С₀ - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/(м² ·К⁴); Т - абсолютная температура поверхности тела, К.

Из этого уравнения следует, что энергия излучения пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени.

Поток излучения ?Q, проходящий через единицу поверхности, называют плотностью потока излучения, Вт/м²,

(12)

Энергия излучения, падающего на тело Е_пад, частично поглощается (Е_А), частично отражается (Е_R) и частично проникает сквозь него (E_D):

Отношение А = Е_А/Е_пад называют коэффициентом поглощения, R = E_R/ Е_пад - коэффициентом отражения, D = Е_D/Е_пад - коэффициентом пропускания. Для абсолютно черного тела А = 1. Тела, для которых А < 1, называют серыми. Для абсолютно белого тела R = 1, для абсолютно прозрачного тела D = 1.

Согласно закону Кирхгофа, учитывающему способность различных тел к лучеиспусканию и лучепоглощению, коэффициент лучеиспускания любого тела при определенной температуре и определенной длине волны излучения пропорционален поглощательной способности данного тела при той же температуре и той же длине волны. При данной температуре тело излучает тем больше теплоты, чем больше оно поглощает лучей, т.е. чем оно чернее. Идеальное абсолютно черное тело поглощает все падающие на него лучи, поэтому абсолютно черное тело и излучает наибольшее количество тепловых лучей.

При термодинамическом равновесии отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела, а является одинаковой для всех тел функцией температуры и равно излучательной способности абсолютно черного тела Е₀ при той же температуре:

(13)

Отношение излучательной способности данного тела к излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре называют степенью черноты тела

(14)

Следовательно, излучательную способность тела можно представить как степень его черноты, умноженную на излучательную способность абсолютно черного тела: Е = еЕ₀

Степень черноты различных тел меняется от нуля до единицы и зависит от состояния поверхности, материала, температуры и других факторов.

Сложный теплообмен

Рассмотренные выше явления передачи теплоты протекают обычно одновременно. Например, когда тело (поверхность нагрева) омывается газом, то наряду с конвективным теплообменом имеется теплообмен излучением (радиацией).

В системах отопления, вентиляции и кондиционирования наиболее часто встречающийся случай теплообмена - это передача теплоты от греющей жидкости, нагреваемой среде (воздух, жидкость) через разделительную стенку (рис. 2а).

В этом случае вначале происходит теплоотдача от греющей жидкости со средней температурой t₁ стенке с температурой t_c^l. Далее теплота передается в результате теплопроводности стенки ее противоположной поверхности с температурой t_c^ll и, наконец, эта поверхность стенки отдает теплоту нагреваемой среде со средней температурой t₂. Тогда плотность теплового потока для однослойной стенки с учетом формул (6) и (10) будет

(15)

где б₁ - коэффициент теплоотдачи от греющей жидкости левой (см. рис. 2а) поверхности стенки; д - толщина стенки; л - коэффициент теплопроводности разделительной стенки; б₂ - коэффициент теплоотдачи от правой поверхности стенки, нагреваемой среде.

Рисунок 2а. Передача теплоты от греющей жидкости, нагреваемой среде через разделительную стенку: а - однослойную; б - многослойную

Если дробь

обозначить буквой k, то формула для подсчета количества теплоты, передаваемой через площадь F за время ф, примет следующий вид:

(16)

Величину k называют коэффициентом теплопередачи [измеряется в Вт/(м²·К)], а обратную ему величину - полным термическим сопротивлением теплопередачи R₀ = 1/k = 1/б₁ + д/л + 1/б₂.

Если разделительная стенка состоит из нескольких слоев, например из трех (рис. 2, б), то плотность теплового потока с учетом формул (7) и (10) будет

(17)

а коэффициент теплопередачи

(18)

В многочисленных теплообменных устройствах, применяемых в любой области промышленности, в том числе в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, основным рабочим процессом является теплообмен между теплоносителями. Такой теплообмен называют теплопередачей.

Размещено на Allbest.ru