Теория теплообмена, или теория теплопередачи

Теория теплообмена,илитеория теплопередачи – это наука о самопроизвольных и необратимых процессах распространения теплоты, обусловленных неоднородным температурным полем.

Изучение данной теории в пожарном деле помогает выяснить закономерности переноса теплоты в телах и между телами, в результате чего появляется возможность нахождения распределения температур в объекте исследования как во времени, так и по координатам. Это, в свою очередь, позволяет решать вопросы, связанные с

· моделированием пожаров в помещениях;

· тепломассообменом при пожарах;

· причинами возникновения пожаров;

· возгораемостью и огнестойкостью конструкций;

· определением безопасных расстояний от очага пожара;

· профилактикой пожаров и т. д.

Процессы теплопередачи всегда протекают только при наличии разности температур между конкретными телами или частями вещественной среды. Таким образом, основной задачей исследования является определение температурного поля, которое в общем случае описывается следующим уравнением:

t =f (x, y, z, ), (2.1)

где x, y, z – координаты точек тела, – время.

Известны три способа теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и лучистый теплообмен.

Перенос теплоты может происходить как с помощью отдельно взятого механизма теплопроводности, конвекции или излучения, так и
в любой комбинации из них. Каждый из этих способов переноса подчиняется своим законам, поэтому при изучении процесса теплопередачи рассматривают порознь явления теплопроводности, конвекции и излучения.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Теплопроводностьюназывают молекулярный перенос тепла микрочастицами, вызванный разностью температур. Процесс теплопроводности наблюдается в твердых телах, в тонких слоях жидкости и газов, но
в наиболее чистом виде в твердых телах.

Молекулы, атомы, электроны и др. микрочастицы, движутся со скоростями, пропорциональными их температуре. За счет взаимодействия друг с другом быстродвижующиеся микрочастицы отдают свою энергию более медленным, передовая таким образом теплоту из зоны с высокой в зону с более низкой температурой.

Втвердых металлических телах теплопроводность происходит в следствии движения свободных электронов.

Внеметаллических твердых телах (в частности, изоляционных материалах), в которых практически отсутствуют свободные электроны, перенос теплоты осуществляется за счет колебаний атомов и молекул.

Вгазах микроструктурным движением является беспорядочные молекулярные движения, интенсивность которых возрастает с увеличением температур.

В основе теории теплопроводности в твердых телах лежит закон Фурье:

Q = - F, (2.2)

где Q – количество переданного тепла в единицу времени, Вт; – градиент температур, ; n – нормаль к изотермической поверхности тела; F – площадь, перпендикулярная к направлению распространения тепла, м²; – коэффициент теплопроводности, .

Коэффициент теплопроводностиl, характеризующий способность данного вещества проводить теплоту, зависит как от его природы, так и от агрегатного состояния.

Значительное влияние на коэффициент теплопроводности могут оказывать температура, а у пористых материалов еще и влажность.

Значения для различных тел в зависимости от температуры приводятся в справочной литературе.

При исследовании процесса теплопроводности в твердых телах пользуются дифференциальным уравнением Фурье-Кирхгофа:

=a( + + ), (2.3)

где а= , , –коэффициент температуропроводности.

Коэффициент температуропроводности является физической величиной, характеризующей скорость изменения температуры в данном веществе.

Если температурное поле не зависит от времени, то оно называется стационарным и описывается следующим уравнением:

+ + = 0. (2.4)

Это уравнение является исходным при решении задач стационарной теплопроводности. Например, из этого уравнения получаются выражения для температурных полей в однослойной стенке:

(2.5)

Здесь R – термическое сопротивление:

· в случае плоской стенки:

(2.6)

· в случае цилиндрической стенки:

(2.7)

где: – толщина плоской стенки; d₁, d₂ –внешний и внутренний диаметры цилиндра; L – длина цилиндра; , – температура на внешней и внутренней поверхностях тела.

КОНВЕКЦИЯ

Конвекцией называется процесс распространения тепла в жидкости от поверхности твердого тела или к его поверхности, одновременно конвекцией и теплопроводностью.

Под жидкостью здесь понимают не только капельную жидкость,
но и газ.

В процессе конвективного теплообмена задействованы два различных механизма переноса теплоты, по причине образования непосредственно у твердой поверхности из-за действия сил вязкого трения тонкого слоя заторможенной жидкости (пограничного слоя). В следствии этого, теплота, прежде чем распространиться от поверхности тела к жидкости (в случае, если температура поверхности выше температуры жидкости), сначала должна за счет теплопроводности пройти через пограничный слой, а затем уже от пограничного слоя попасть в массу (ядро) жидкости с помощью конвекции.

При решении инженерных задач для расчета конвективного теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью используют закон Ньютона-Рихмана:

(2.8)

где a – коэффициент теплоотдачи, , характеризующий интенсивность передачи теплоты; F – площадь теплоотдающей поверхности, м²; Dt – разность температур [либо Dt=(t_w-t_f), либо Dt=(t_f-t_w), в зависимости от направления теплового потока], °С; t _w – температура поверхности тела, °С; t _f – температура жидкости за пределами пограничного слоя, °С.

Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности к 1 м² в жидкость или, наоборот, от жидкости к теплообменной поверхности 1 м² в единицу времени при разности температур теплообменной поверхности и жидкости
в 1 градус.

Вся сложность расчета конвективного теплообмена и состоит
в определении коэффициента теплоотдачи.

Величина a зависит от всех факторов, влияющих на сам процесс теплообмена. К ним относятся скорость движения жидкости, физические свойства теплоносителя, гидродинамические характеристики потока, геометрическая форма и размеры поверхности теплообмена и др.:

(2.9)

При изучении конвективного теплообмена большую помощь оказала теория подобия, на основе которой были установлены группы подобных явлений и обобщенные переменные – числа (критерии) подобия, характеризующие данную группу явлений. Эти числа подобия составляются из различных физических параметров и они безразмерны.

В случае конвективного теплообмена наиболее часто используются следующие числа подобия:

· число Нуссельта определяющее интенсивность теплообмена:

(2.10)

· число Прандтля характеризующее физические свойства жидкости:

(2.11)

· число Грасгофа характеризует интенсивность свободного движения:

(2.12)

· число Рейнольдса характеризует гидродинамический режим движения потока жидкости:

(2.13)

· число Кутателадзе-Кружилина является мерой отношения плотности теплового потока, расходуемого на фазовое превращение вещества, к теплоте перегрева (переохлаждения) одной из фаз

(2.14)

· число Галилея является мерой отношения сил тяжести и молекулярного трения в потоке:

(2.15)

В эти выражения входят следующие величины:

a – коэффициент конвективной теплоотдачи, ;

l – определяющий размер тела, м;

l – теплопроводность жидкости, ;

n – кинематическая вязкость жидкости, ;

g – ускорение свободного падения, ;

а– коэффициент температуропроводности жидкости, ;

b – температурный коэффициент объемного расширения, 1/К (для газов b =1/Т_f, для жидкостей значения берутся из справочной литературы);

w – скорость потока жидкости, ;

r – удельная теплота парообразования, ;

c_р – удельная теплоемкость жидкости, ;

Dt – разность температур [либо Dt = (t_w- t_f ), либо Dt =(t_f - t_w) в зависимости от направления теплового потока], °С;

t _w – температура поверхности тела, ^оС;

t_f – температура жидкости за пределами пограничного слоя, ^оС;

Dt_s – разность температур [либо Dt = (t_w-t_s), либо Dt =(t_s-t_w) в зависимости от направления теплового потока], ^оС;

t _s – температура фазового превращения, ^оС .

В зависимости от геометрической формы поверхности теплообмена,
в качестве определяющего размера l, выбирают следующие параметры:

· для труб и шаров определяющим линейным размером является диаметр d;

ИЗЛУЧЕНИЕ

Излучение – это перенос энергии электромагнитными волнами (этот процесс обусловлен превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения, переносом излучением и его поглощением веществом).

Особенностью теплообмена излучением является то, что такой теплообмен не требует непосредственного контакта тел. Излучение рассматривается как процесс распространения электромагнитных волн, испускаемых телом. Излучение энергии сводится к преобразованию внутренней энергии тела в лучистую энергию электромагнитных колебаний. Излучение электромагнитных волн свойственно всем телам. Спектр излучения большинства твердых и жидких тел сплошной, непрерывный. Это значит, что эти тела обладают способностью излучать (и поглощать) лучи всех длин волн. Распределение энергии в спектре излучающего тела определяется температурой тела. Носителями тепловой лучистой энергии являются волны инфракрасной части спектра излучения с длиной волны мм.

Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным лучистым потоком. При постоянной поверхностной плотности интегрального излучения Е₀ (собственное излучение) излучающей поверхности F полный лучистый поток Q₀, Вт, определяется соотношением:

Q₀ = E₀ F. (2.18)

В общем случае, при попадании лучистого потока на другие тела, эта энергия частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело (рис. 2.2). Та часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую. Та же часть энергии, которая отражается, попадает на другие тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело.

Таким образом, после ряда поглощений излучаемая энергия полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию.

Рис. 2.2. Распределение лучистого потока, падающего на тело

На основании закона сохранения энергии можно написать:

Q₀ = Q_A + Q_R + Q_D(2.19)

или для плотностей излучения:

E₀ = E_A + E_R + E_D. (2.20)

Здесь:

В безразмерном виде:

A + R + D = 1, (2.21)

где – коэффициент поглощения; – коэффициент отражения; – коэффициент проницаемости.

Коэффициенты поглощения, отражения и проницаемости зависят от природы тел, состояния их поверхности. Как видно из формулы (2.21), их значения могут изменяться в пределах от 0 до 1.

Тело, которое полностью поглощает всю падающую на него лучистую энергию, т. е. А=1, D=R= 0, называют абсолютно чернымтелом.

Если R=1, А = D = 0, то такое тело называют абсолютно белым
телом (вся энергия отражается).

Если D=1, A= R = 0 – абсолютно прозрачнымтелом (вся энергия проходит насквозь).

Значения A, R и D зависят от природы тела, его температуры и длины волны излучения. Воздух, например, для тепловых лучей прозрачен, но при наличии в воздухе водяных паров или углекислоты он становится полупрозрачным.

Большинство твердых и жидких тел для тепловых лучей практически непрозрачны, т. е. D = 0:

A+R=1.

Однако, имеются тела, которые прозрачны лишь для определенных длин волн. Так, например, кварц для лучей с длинами волн более 0,04 мм, непрозрачен, а для световых и ультрафиолетовых лучей прозрачен. Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для ультрафиолетовых и тепловых оно почти не прозрачно.

Точно также обстоят дела с понятиями поглощения и отражения. Белая поверхность хорошо отражает лишь видимые (солнечные) лучи.
В жизни это свойство широко используется: белые летние костюмы, белая окраска цистерн и т. д. Невидимые же тепловые лучи белая ткань и краска поглощает также хорошо, как и темная.

Для поглощения и отражения тепловых лучей большее значение имеет не цвет, а состояние поверхности. Независимо от цвета отражательная способность гладких и полированных поверхностей во много раз выше, чем у шероховатых.

В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не сущест
вует. Наиболее близки к абсолютно черному телу сажа и бархат
(А=0,97, ..., 0,98), к абсолютно белому телу – полированные металлы (R=0,97). Одно- и двухатомные газы практически прозрачны.

Тела, у которых коэффициент поглощения 0<А<1 и поглощательная способность не зависит от длины волны падающего излучения, называются серыми телами. Большинство твердых тел можно рассматривать как серые тела.

Излучение абсолютно черного тела подчиняется следующим законам:

· закон Планка, устанавливающий зависимость между интенсивностью излучения J₀, длиной волны и термодинамической температу-
рой Т:

(2.22)

где С₁ и С₂ – постоянные величины;

· закон Вина, исходя из закона Планка, дает зависимость от Т:

(2.23)

Из формулы (2.21) видно, что с повышением температуры длина волны, соответствующая максимальной интенсивности излучения, смещается в сторону более коротких длин волн.

Рис. 2.3.Зависимость спектральной интенсивности излучения
абсолютно черного тела от длины волны и температуры

· Закон Стефана-Больцмана дает возможность определить плотность лучистого потока Е₀ абсолютно черного тела:

(2.24)

где = 5,67 10^-8 Вт/(м² К) – константа излучения абсолютно черного тела.

В технических расчетах закон Стефана-Больцмана удобно применять в форме:

где – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для серых тел, у которых интенсивность излучения меньше, чем
у черных тел при той же температуре, Е<E₀.

Отношение называют степенью черноты серого тела.

Пользуясь понятием о степени черноты, плотность лучистого потока для серого тела можно выразить следующим уравнением:

(2.25)

где - коэффициент излучения серого тела.

· Закон Кирхгофа устанавливает связь между излучательной и поглощательной способностью тел.

(2.26)

т. е. коэффициент поглощения численно равен степени черноты данного тела.

· Закон Ламберта дает возможность определить зависимость изменения энергии лучистого потока от его направления по отношению к поверхности тела. Наибольшей интенсивностью обладает излучение по нормали к поверхности Е_п. По остальным направлениям оно меньше, равно и выражается формулой:

(2.27)

где – угол между направлением излучения и нормалью (рис. 2.4).

Рис. 2.4. К выводу закона Ламберта

Если два тела с температурой T₁ и T₂ обмениваются лучистой энергией, разделены прозрачной средой, то тепло, переданное излучением, можно определить из выражения:

(2.28)

где – приведенная степень черноты.

В случае, когда одно тело окружено другим, то

(2.29)

Если два тела расположены в пространстве произвольно, причем лучистый поток от одного тела не полностью попадает на другое, то в выражение для теплообмена между телами вместо F войдет величина F_1-2, называемая взаимной поверхностью излучения. В этом случае расчет теплообмена сводится к определению F_1-2.

Коэффициент теплоотдачи излучением равен:

(2.30)

СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Как уже было сказано, разделение теплопереноса на теплопроводность, конвекцию и излучение удобно для изучения этих процессов.

Однако, очень часто встречается сложный теплообмен, при котором теплота передается двумя или всеми тремя способами одновременно. Например, теплоотдача от поверхности к газу (или от газа к поверхности). При этом имеет место как конвективный теплообмен между поверхностью и омывающим ее газом, так и излучение. В этом случае интенсивность теплообмена характеризуется суммарным коэффициентом теплоотдачи:

(2.31)

В ряде случаев влиянием одной из составляющих коэффициента теплоотдачи можно пренебречь. Например, с увеличением температуры резко возрастает тепловой поток излучения, поэтому при температуре выше 1000 °C обычно принимают и наоборот, при теплообмене поверхности с потоком капельной жидкости определяющим является конвективный теплообмен, т. е.

В практике пожарного дела в условиях пожара греющей средой являются продукты горения и коэффициент теплоотдачи a приближенно вычисляют по уравнению:

(2.32)

где – температура греющей среды.

2.5. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА МЕЖДУ
ДВУМЯ ЖИДКОСТЯМИ ЧЕРЕЗ СТЕНКУ

На практике часто приходится рассчитывать стационарный процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. Такой процесс называется теплопередачей. Он объединяет все рассмотренные нами элементарные процессы.

Вначале теплота передается от горячего теплоносителя _г к одной из поверхностей стенки путем конвективного теплообмена, который, как это было сказано ранее, может сопровождаться излучением. Интенсивность процесса теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи a₁. Затем теплота теплопроводностью переносится от одной поверхности стенки к другой. Термическое сопротивление теплопроводности R рассчитывается по формулам (2.6) и (2.7) в зависимости от вида стенки. Далее теплота путем конвективного теплообмена, характеризуемого коэффициентом теплоотдачи a₂, передается от поверхности стенки к холодной жид-
кости.

При стационарном режиме тепловой поток Q во всех трех процессах одинаков, а перепад температур между горячей и холодной жидкостями складывается из трех составляющих:

· между горячей жидкостью и поверхностью стенки:

(2.33)

· между поверхностями стенки:

(2.34)

· между второй поверхностью стенки и холодной жидкостью:

(2.35)

Из этих уравнений (2.33)-(2.35) получается формула

(2.36)

позволяющая рассчитывать процесс теплопередачи через любую стенку: плоскую, цилиндрическую, однослойную, многослойную и др., отличия при этом будут только в расчетных формулах R.

В случае теплопередачи через плоскую стенку, для которой и площади поверхностей плоской стенки одинаковы с обеих сторон , удобнее рассчитывать плотность теплового потока q. Тогда уравнение (2.36) преобразуется к виду:

(2.37)

где – коэффициент теплопередачи, (2.38)

характеризующий интенсивность процесса теплопередачи от одного теплоносителя к другому через разделяющую их плоскую стенку.

Формулой (2.38) можно воспользоваться и при расчете теплового потока через тонкие цилиндрические стенки, если

(2.39)

здесь d₂ и d₁ – внешний и внутренний диаметры цилиндрической стенки (трубы).

ЗАДАНИЕ № 3