Теплопередача

Это учение о процессах распространения теплоты. Теплота распространяется тремя принципиально различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных тел или частиц одного тела, имеющих различные температуры и обусловлена движением микрочастиц тела

Конвекция возможна только в текучей среде–жидкой или газообразной. Под конвекцией теплоты понимают процесс переноса тепловой энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с более высокой температурой в область с пониженным ее значением. Перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение – это процесс распространения тепловой энергии с помощью электромагнитных волн. Сопровождается двойным превращением энергии: тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую и обратно – лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит в тепловую.

Условия и закономерности протекания элементарных явлений различны. В большинстве случаев один вид теплообмена сопровождается другим. Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых однородных телах. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различную температуру. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом.

При инженерных расчетах определяют конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей. Конвективная теплоотдача часто сопровождается теплоотдачей излучением.

В целом перенос теплоты от горячих газов к холодному воздуху через разделяющую их стенку представляет собой сложный процесс, который называют теплообменом или теплопередачей. В рабочем пространстве нагревательного устройства передача теплоты от нагретых газов к внутренней поверхности стенки будет происходить в основном путем излучения и конвекции, через саму стенку – путем теплопроводности и от наружной поверхности стенки в окружающее пространство – путем конвекции и излучения.

Следовательно, на отдельных этапах прохождения теплоты элементарные виды теплообмена могут находиться в самом различном сочетании.

Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: в чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения фазового состава. Часто процессы переноса тепловой энергии сопровождаются переносом вещества (процессы окисления, восстановления, разложения). При наличии массообмена процессы теплообмена значительно усложняются и будут описываться более сложными дифференциальными уравнениями.

1.1.Теплопроводность

Механизм теплообмена теплопроводностью обусловлен движением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется путем диффузии молекул и атомов, в жидкостях и твердых телах (диалектриках) – за счет упругих волн, в металлах – путем диффузии свободных электронов и упругих колебаний кристаллической решетки.

Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела. Поэтому при изучении процесса прежде всего необходимо установить понятия температурного поля и градиента температуры.

1.1.1.Температурное поле

Температура характеризует тепловое состояние тела и определяет степень его нагретости. Теплопроводность может иметь место только при условии, что в различных точках тела (или системы тел) температура неодинакова. В общем случае процесс передачи теплоты теплопроводностью в твердом теле сопровождается изменением температуры как в пространстве, так и во времени. Основной задачей теории теплопроводности и является изучение пространственно – временного изменения температуры, т.е. нахождение зависимости

, (1.1)

где –координаты точек тела; – временная координата.

Уравнение (1.1) представляет собой математическое выражение температурного поля. Таким образом, температурным полем называется совокупность значений температуры во всех точках изучаемого пространства и для каждого момента времени.

Различают стационарное и нестационарное температурное поле. Уравнение (1.1) является записью наиболее общего вида температурного поля, когда температура изменяется с течением времени и от одной точки к другой. Такое поле отвечает неустановившемуся тепловому режиму теплопроводности и носит название нестационарного температурного поля.

Если тепловой режим является установившимся, то температура в каждой точке тела с течением времени остается неизменной, и такое температурное поле называют стационарным. В этом случае температура является функцией только координат

; . (1.2)

Температурное поле, соответствующее уравнениям (1.1) и (1.2) является пространственным, так как температура – это функция трех координат. Если температура есть функция двух координат, то поле называют двухмерным:

; . (1.3)

Если температура является функцией одной координаты, то поле называют однородным:

. (1.4)

Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля:

и . (1.5)

Одномерной, например, является задача о переносе теплоты в стенке, у которой длину и ширину можно считать бесконечно большими по сравнению с толщиной.

1.1.2.Температурный градиент

При любом температурном поле в теле всегда имеются точки с одинаковой температурой. Если эти точки мысленно соединить, то можно получить изотермические поверхности, которые либо оканчиваются на поверхности тела, либо целиком располагаются внутри самого тела. Следовательно, температура в теле изменяется в направлении, пересекающем изотермы. При этом наибольший перепад температуры на единицу длины происходит в направлении нормали к изотермической поверхности (рис.1.1).

Предел отношения изменения температуры между соседними изотермами к расстоянию между ними по нормали называется температурным градиентом и обозначается одним из следующих символов:

. (1.6)

Это есть вектор, направленый по нормали к изотермической поверхности.

Положительным направлением температурного градиента считается направление в сторону возрастания температуры. Его значение, взятое с обратным знаком, называется падением температуры.

1.1.3.Тепловой поток. Закон Фурье

Теплота самопроизвольно переносится только в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переносимой через какую–либо поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком . Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности, называется плотностью теплового потока, или же удельным тепловым потоком, или же тепловой нагрузкой поверхности нагрева, т.е.

(1.7)

Если тепловой поток отнесен к единице изотермической поверхности, то величина является вектором, направление которого совпадает с направлением распространения теплоты в данной точке и противоположно направлению вектора температурного градиента (рис. 1.2).

Изучая процесс теплопроводности в твердых телах, Фурье экспериментально установил, что количество переданной теплоты пропорционально температурному градиенту и площади сечения, перпендикулярного направлению распространения теплоты.

. (1.8)

Если количество переданной теплоты отнести к единице сечения и единице времени, то установленную зависимость можно записать в виде

(1.9)

Уравнение (1.9) является математическим выражением основного закона теплопроводности – закона Фурье, который лежит в основе всех теоретических и экспериментальных исследований процессов теплопроводности.

1.1.4.Коэффициент теплопроводности

Коэффициент пропорциональности в уравнениях (1.8) и (1.9) является физическим параметром вещества, характеризующим способность тел проводить теплоту и называемым коэффициентом теплопроводности. Размерность – Вт/(м ^оС).

Определяет собой количество теплоты, которое проходит в единицу времени через один квадратный метр изотермической поверхности при температурном градиенте равном единице.

На величину коэффициента влияет много факторов: температура, давление, структура, влажность, агрегатное состояние тела, механизм переноса теплоты и т.д.

Обычно определяют экспериментальным путем. Большинство методов основано на измерении теплового потока и градиента температур в заданном веществе.

Лучше определять из выражения:

,

где – коэффициент температуропроводности, м²/с; с – теплоемкость, Дж/ (кг ^оС); – плотность, кг/м³.

Так как температура в теле распределена неравномерно, то в первую очередь важно знать зависимость от температуры. Для большого числа материалов эта зависимость оказывается почти линейной, т.е.

,

где коэффициент теплопроводности при температуре , Вт/(м ^оС); – температура, ^оС; – температурный коэффициент, определяемый опытным путем.

Лучшими проводниками теплоты являются металлы, у которых изменяется от 3 до 458 Вт/(м ^оС). Самым теплопроводным металлом является чистое серебро (=458 Вт/(м ^оС)).

Коэффициенты теплопроводности теплоизоляционных и строительных материалов, имеющих пористую структуру, при повышении температуры возрастают по линейному закону и изменяются в пределах от 0,02 до 3,0 Вт/(м ^оС). Для газов изменяется в пределах от 0,006 до 0,6 Вт/(м ^оС).

Для капельных жидкостей изменяется в пределах от 0,07 до 0,7 Вт/(м ^оС).

1.1.5.Общее дифференциальное уравнение теплопроводности

Для определения количества переданной теплоты необходимо знать коэффициент и значение температурного градиента, а следовательно, и распределение температуру. Последнее относительно просто можно определить только для тел простой конфигурации – пластины, цилиндра, шара, куба и параллелепипеда. В общем же случае это распределение можно получить лишь в результате решения специального дифференциального уравнения теплопроводности.

Это уравнение выводится на основании закона сохранения энергии, сочетаемого с законом Фурье,

Согласно закону сохранения энергии количество теплоты , выделенное внутренними источниками, за вычетом количества теплоты , вытекшего сквозь поверхность наружу, идет на приращение внутренней энергии вещества в выделенном объеме:

=– . (1.10)

Выделим в теле элементарный параллелепипед со сторонами (рис. 1.3)

Если объемную мощность тепловыделения, т.е. количество теплоты, выделяющейся в единице объема вещества за единицу времени обозначить через , Вт/м³, то за время получим:

=. (1.11)

Для вычисления рассмотрим направление, определяемое осью х.

В этом направлении через левую грань поступает внутрь выделенного объема количество теплоты

.

Через противоположную грань за тот же промежуток времени вытекает из объема количество теплоты

.

Результативное количество вытекающей теплоты

.

Полное количество вытекающей из параллелепипеда теплоты во всех трех направлениях составит

. (1.12)

Приращение внутренней энергии вычисляется через теплоемкость и изменение температуры:

. (1.13)

Здесь с в Дж/(кг ^оС), а в кг/м³.

Подставив выражения (1.11), (1.12) и (1.13) в (1.10), получим

. (1.14)

Введем в рассмотрение новую физическую характеристику вещества – коэффициент температуропроводности а, м²/с, определяемый из выражения

а

Он существенен для нестационарных тепловых процессов и характеризует скорость изменения температуры и является мерой теплоинерционных свойств тела. Скорость изменения температуры в любой точке тела будет, тем больше, чем больше коэффициент температуропрводности. При прочих равных условиях выравнивание температур происходит быстрее в том теле, которое обладает большим коэффициентом температуропроводности.

Уравнению (1.14) можно придать вид

.

Физический смысл уравнения Фурье заключается в том, что им связывается пространственное распределение температуры с изменением ее во времени. Зная вблизи той или иной точки тела зависимость температуры от координат, можно предсказать, как быстро будет возрастать (или спадать) температура в этой точке при переходе к следующему моменту времени. Наиболее простое соотношение получается тогда, когда =0, т.е. когда внутреннее тепловыделение отсутствует. При этом, чем больше коэффициент а, тем пропорционально быстрее меняется во времени температура.

Применительно к пространственным задачам стационарной теплопроводности /=0 и при =0 уравнение Фурье приобретает вид

= 0; .

В цилиндрических координатах уравнение (1.15) записывается в виде:

, (1.16)

где – радиус вектор;– полярный угол, – аппликата.

1.1.6.Условия однозначности решения

Полученное дифференциальное уравнение Фурье описывает явление передачи теплоты теплопроводностью в самом общем виде. Для того, чтобы применить его к конкретному случаю, необходимо знать распределение температур в теле в начальный момент времени (начальные условия). Кроме того, должны быть известны геометрическая форма и размеры тела, физические параметры среды и тела, граничные условия, характеризующие распределение температуры на поверхности тела, или взаимодействие изучаемого тела с окружающей средой.

Все эти частные особенности совместно с дифференциальным уравнением дают полное математическое описание конкретного процесса теплопроводности и называются условиями однозначности или краевыми условиями,

Начальные условия необходимы при рассмотрении нестационарных процессов и состоят в задании закона распределения температуры внутри тела в начальный момент времени. В общем случае начальное условие аналитически может быть записано в виде

При =0 .

При =0

Граничные условия, характеризуют взаимодействие рассматриваемого тела с окружающей средой. Задаются несколькими способами.

Граничные условия первого рода. Задается распределение температуры на поверхности тела для каждого момента времени

К ним относятся задачи разогрева и охлаждения системы при заданном изменении температуры на границе и т.д.

Граничные условия второго рода. Задаются величины теплового потока для каждой точки поверхности тела и любого момента времени

=

=.

К ним относятся задачи нагрева системы внешним источником – нагревателем.

Граничные условия третьего рода. Задается температура окружающей среды и закон теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Для описания процесса теплообмена между поверхностью тела и средой используется закон Ньютона-Рихмана. Согласно этому закону количество теплоты, отводимое единицей поверхности тела в единицу времени, пропорционально разности температур между поверхностью тела C и окружающей средой (>).

=(–), (1.17)

где – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м^{2 о}С).

Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Численно он равен количеству теплоты, отдаваемой (или воспринимаемой) единицей поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью тела и окружающей средой в 1 ^оС.

Согласно закону сохранения энергии количество теплоты, которое отводится с единицы поверхности в единицу времени вследствие теплоотдачи (1.17), должно равняться количеству теплоты, подводимой к единице поверхности в единицу времени вследствие теплопроводности из внутренних объемов тела (1.9)¸т.е.

,

где n – нормаль к поверхности тела; с – индекс указывает на то, что температура и температурный градиент относятся к поверхности тела при n=0.

Окончательно граничные условия третьего рода можно записать в виде

–. (1.18)

Граничные условия четвертого рода. Их задание определяется условиями теплообмена системы тел или тела с окружающей средой по закону теплопроводности. Предполагается, что между телами осуществляется идеальный контакт и температуры соприкасающихся поверхностей одинаковы.

При этом имеет место равенство тепловых потоков, проходящих через поверхность соприкосновения, т.е.

. (1.19)