Способи поширення теплоти

Усі процеси, що протікають в часі і просторі, зв'язані з явищами перенесення енергії і маси. Процеси перенесення теплоти і маси, що протікають переважно в суцільних середовищах (у твердих тілах, рідинах і газах), вивчається в цьому фундаментальному розділі теплотехніки.

Відповідно до другого закону термодинаміки, під дією різниці температур відбувається процес перенесення теплоти в просторі у бік менших значень температури. Самовільний необоротний процес перенесення теплоти в просторі, обумовлений різницею температур, називається теплообміном. Закономірності перенесення теплоти і кількісні характеристики цього процесу вивчаються теорією теплообміну.

Перенесення маси відбувається при різниці концентрації речовини, під час випаровування, кипіння, конденсації і в багатьох інших процесах. Якщо має місце обмін теплотою і масою, процес називається тепло- масообміном. У теорії тепло-, масообміну вивчають потоки теплоти і маси.

Тепло всередині тіла може поширюватися двома способами — теплопровідністю і конвекцією.

Поширення тепла теплопровідністю (кондукцією) основане на тому, що молекули більш нагрітої частини тіла, що рухаються з біль­шою середньою швидкістю, внаслідок зіткнення з молекулами менш нагрітої частини тіла, віддають останнім частину своєї кінетичної енергії. Отже, поширення тепла теплопровідністю в тілі можливе при відсутності видимого руху його частин (переважно в твердих тілах).

Конвекцією називається поширення тепла всередині тіла, що від­буваєтьсяперемішуванням нагрітих і ненагрітих частин (шарів) тіла. Оскільки конвекція можлива при умові видимого руху окремих час­тин (шарів) тіла, так тепло поширюється тільки в рідинах і газах.

Теплообмін між тілами може відбуватися двома способами, які принципово відрізняються один від одного: дотиканням і випромінюванням (радіацією).

Під час теплообміну дотиканням двох тіл, що мають різний нагрів, у місцях дотикання встановлюється деяка проміжна (однакова для обох тіл) температура, і тепло поширюється всередині більш нагрітого тіла домісць дотикання, а в менш нагрітому тілі —від місцьдотикання.

У теплотехніці дуже часто спостерігається теплообмін дотиканням між рухомою рідиною (краплинною чи пружною — газом) і твердим тілом (стінка барабана котла чи труби). Такий теплообмін дотиканням з передачею тепла від рухомої рідини чи газу до твердого тіла і, навпаки, від твердого тіла до рідини називають тепловіддачею.

Комплексний процес передачі тепла дотиканням від однієї рідини до другої черга роздільну тверду стінку називають теплопередачею.

Повний процес передачі тепла від стінки до рідини і поширення його в рідині, а також повний процес, що відбувається в зворотному напрямі (від рідини чи газу до стінки і поширення, теплопровідністю в стінці), називають конвективним теплообміном.

Теплообмін випромінюванням х арактеризується тим, що тіла з різним нагрівом можуть бути на деякій відстані одне від одного. При цьомутеплова енергія більш нагрітого тіла перетворюється в променисту енергію, що випромінюється в навколишнє середовище. Енергія променів, що падають на менш нагріте тіло, повністю або частково перетворюється втеплову енергію, що сприймається менш нагрітим тілом.

На практиці різні способи поширення тепла й різні види тепло­обміну переплітаються дуже тісно, але для вивчення видів поши­рення тепла розглянемо їх окремо, оскільки вони підкоряються різ­ним законам.

Теплопровідність

1) Процес передачі тепла теплопровідністю через плоску одношарову стінку (рис.44,а) виражається законом Фур'є, рівняння якого має такий вигляд:

(12.1)

де - тепловий потік, або потужність теплового потоку, Вт, показує секундну кількість тепла, що проходить через стінку (Дж/с; Вт);

- коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки, Вт/мК;

- температури на поверхнях стінки з боку гріючого тіла і з боку тіла, що нагрівається;

Рис.44 Теплопровідність стінок: а — одношарової плоскої б і в —одно- та багатошарової циліндричних.

δ - товщина стінки, м;

F - площа поверхні стінки, м². З рівняння закону Фур'е визначимо коефіцієнт теплопро­відності і його розмірність:

(12.2)

Коефіцієнт теплопровідності λ показує величину секундного теплового потоку Дж/с або потужність теплового потоку Вт, що проходить через стінку з площею поверхні 1 м² і товщиною 1 м при різниці температур t_CT1 — t_CT2 = 1 град.

Поділивши почленно рівняння закону Фур'є на F, дістанемо:

(12.3)

(12.4) - питома густина теплового потоку, питома потужність теплового потоку

(12.5) - коефіцієнт тепловіддачі

(12.6) - термічний опір

Підставивши ці величини в формули, дістанемо:

(12.7)

Густина теплового потоку, що передається теплопровід­ністю через одношарову плоску стінку, прямо пропорційна різниці температур і обернено пропорційна термічному опору стінки.

Тепловий потік, що проходить через одношарову циліндричну стінку (рис. б), визначають за такою формулою: (12.8),

де l —довжина труби, м;

d₁ і d₂ — внутрішній і зовнішній діаметри труби, м;

t₁ і t₂ — температури на внутрішній і зовнішній поверхнях труби, °C.

Слід зазначити, що вираз у знаменнику — це опір R циліндричної стінки (труби).

Якщо товщина циліндричної стінки (труби) мала у порівнянні

з діаметром труби, тобто , її теплопровідність можна визна­чити також за формулами плоскої стінки. При цьому у формули замість F підставляють середню поверхню труби ()

де d_сер — середній діа­метр труби:

Рис.45 - Визначення се­реднього діаметра ци­ліндричної одношарової стінки.

Рис.46 - Тепловіддача від рі­дини до стінки.

Якщо , середній діаметр визначають за формулою:

Останній вираз показує, що розподіл температур у циліндричній стінці має характер логарифмічної кривої

Висновки:

• температура в товщі циліндричної стінки змінюється вздовж радіуса за логарифмічним законом;

• інтенсивність зміни температури зменшується зі зменшенням кривизни циліндричної поверхні, тобто, біля внутршньї стінки, що має більшу кривизну ніж зовнішня стінка, маємо максимальний градієнт температури.

Основні висновки:

1. Самовільний необоротний процес перенесення теплоти в просторі, обумовлений різницею температур, називається теплообміном. Закономірності перенесення теплоти і кількісні характеристики цього процесу вивчаються теорією теплообміну.

2. Тепло всередині тіла може поширюватися двома способами — теплопровідністю і конвекцією. Теплообмін між тілами може відбуватися двома способами, які принципово відрізняються один від одного: дотиканням і випромінюванням (радіацією). На практиці різні способи поширення тепла й різні види тепло­обміну переплітаються дуже тісно, але для вивчення видів поши­рення тепла розглянемо їх окремо, оскільки вони підкоряються різ­ним законам.

3. Процес передачі тепла теплопровідністю через плоску одношарову стінку виражається законом Фур'є. Коефіцієнт теплопровідності λ показує величину секундного теплового потоку Дж/с або потужність теплового потоку Вт, що проходить через стінку з площею поверхні 1 м² і товщиною 1 м при різниці температурв 1 град. Густина теплового потоку, що передається теплопровід­ністю через одношарову плоску стінку, прямо пропорційна різниці температур і обернено пропорційна термічному опору стінки.

Контрольні питання:

1. Дати визначення поняттям теплообмін, теплопровідність.

2. Пояснити особливості поширення тепла всередині тіла.

3. Пояснити особливості поширення тепла між двома тілами.

4. Закон Фур'є та його застосування для визначення кількості тепла, що пердається через одношарову плоску стінку.

5. Особливості розрахунку та визначення коефіцієнта теплопровідності, тепловіддачі, питомого термічного опору та густини теплового потоку.

Домашнє завдання:

1. Повторення матеріалу теми за конспектом.

Прочитати:

[1] c. 192-195; [3] c. 156-163.

Тема №13

Поиск по сайту: