ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАБОТЫ. Теория теплопередачи изучает законы переноса теплоты в твердых, жидких и газообразных телах

Теория теплопередачи изучает законы переноса теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Различают следующие формы передачи теплоты: теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность представляет собой процесс переноса теплоты (энергии) соприкасающимися, беспорядочно движущимися (колеблющимися) структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами). Структурные частицы более нагретой части тела, обладающей большей энергией, соприкасаясь с окружающими частицами, передают им часть своей энергии. Такой теплообмен может осуществляться в любых термически неравновесных телах или системах тел. Механизм переноса энергии зависит от физического состояния тел.

Конвекция представляет собой перенос теплоты при перемещении объемов текущей среды (жидкости или газа) в пространстве из области с одной температурой в область с другой.

Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, так как при этом соприкасаются частицы, имеющие различные температуры. Совместный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела называется теплоотдачей.

Тепловое излучение – процесс переноса теплоты в виде электромагнитных волн. На поверхности тела его внутренняя энергия превращается в энергию электромагнитных волн различной длины, распространяющихся в пространстве со скоростью света. Распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны могут поглощаться другими телами, превращаясь при этом во внутреннюю энергию этих тел. Теплообмен излучением – это процесс превращения внутренней энергии тел в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения телом.

Рассмотренные формы переноса теплоты во многих случаях осуществляются совместно. Процессы теплопроводности и конвекции могут сопровождаться теплообменом излучения.

Теплообмен в жидких и газовых смесях сопровождается переносом одного вещества в другое, т. е. массообменом. Теплообмен характеризуется выравниванием температуры, а массообмен – выравниванием концентраций компонентов. Совместное протекание процессов теплообмена и массообмена называется тепломассообменом.

В основу теории теплопроводности положен закон Фурье – тепловой поток прямо пропорционален температурному градиенту и площади поверхности тела.

Процесс теплопередачи состоит из процессов теплоотдачи от нагревающей криволинейную стенку (горячей) жидкости к поверхности стенки, передачи теплоты теплопроводностью через многослойную (или однослойную) стенку и процесса теплоотдачи от поверхности стенки к нагреваемой (холодной) жидкости. При установившемся процессе теплопередачи тепловой поток во всех перечисленных стадиях сохраняет неизменное значение. Теплопередачей называется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через стенку, разделяющую эти теплоносители. Количество теплоты, проходящее через изотермическую поверхность F в единицу времени называется тепловым потоком – Q, [Вт=Дж/с]. Тепловой поток, проходящий через единицу площади называют плотностью теплового потока – q = Q / F, [Вт/м²] Для твердого тела уравнение теплопроводности подчиняется закону Фурье: Тепловой поток, передаваемый теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока.

Тепловой поток, переданный через стенку определяется по уравнению:

Q = · (t₁ – t₂) · F (124)

где ʎ - коэффициент теплопроводности Вт/ (м );

- толщина стенки (длина пути теплового потока) , м;

- - разность температур поверхностей плоской стенки;

F – площадь поверхности стенки, .

Теплоотдачу принято рассчитывать по формуле Ньютона – Рихмана. Тепловой поток между жидкостью и поверхностью твердого тела определяется по формуле:

Q = ( – τ) (125)

где – коэффициент теплоотдачи, Вт/

– температура жидкости, С;

τ - температура твердого тела и горячей или холодной жидкости, С.

Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества, характеризующим способность тела проводить теплоту. Она зависит от рода вещества, давления и температуры. Также на её величину влияет влажность вещества. Для большинства веществ коэффициент теплопроводности определяются опытным путем и для технических расчетов берут из справочной литературы.

Процесс теплопередачи состоит из процессов теплоотдачи от нагревающей криволинейную стенку (горячей) жидкости к поверхности стенки, передачи теплоты теплопроводностью через многослойную (или однослойную) стенку и процесса теплоотдачи от поверхности стенки к нагреваемой (холодной) жидкости. При установившемся процессе теплопередачи тепловой поток во всех перечисленных стадиях сохраняет неизменное значение.

Для плоской стенки выражение коэффициента теплопередачи

(126)

В случае лучистого теплообмена при решении инженерных задач применяют формулу основу которой составляет закон Стефана- Больцмана:

Q = С_прF₁[ , Вт. (127)

где

(128)

где

= и коэффициенты поверхностей, Вт/м² К⁴

Вт/м² К⁴

и – степень черноты поверхностей;

– площадь внешней поверхности трубы, м2;

– площадь поверхности бетонного канала, м2