Температурное поле в твердом теле

Понятие технологической системы

Эффективность производства и уровень качества изделий в значительной мере определяются совершенством технологических систем, применяемых при изготовлении тех или иных машин.

Технологическая система (ТС) в соответствии с ГОСТ 27.00485 — это совокупность функционально взаимосвязанных средств оснащения, предметов производства и исполнителей, предназначенная для выполнения в регламентированных условиях производства заданных технологических процессов.

Основные виды теплообмена

Теплообмен между компонентами системы может осуществляться одним из трех способов: теплопроводностью, конвекцией или тепловым излучением. Возможна также та или иная комбинация этих способов.

Теплопроводность представляет собой процесс передачи тепловой энергии микрочастицами вещества. Микрочастицы (молекулы, атомы, электроны), двигаясь со скоростями, пропорциональными их температурам, переносят энергию из более нагретой в менее нагретую область тела.

Конвекция возможна только в жидкой или газообразной среде, где перенос тепловой энергии происходит путем перемещения некоторых объемов жидкости (газа) из области с одной температурой в область с другой температурой. Если в процессе теплопроводности для передачи энергии не обязательно перемещение нагреваемого тела в пространстве, то при конвекции перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости и газа неизбежно соприкосновение их частиц, имеющих различные температуры. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. В технологических системах процесс обмена тепловой энергией между потоком жидкости (газа) и твердым телом может протекать в двух направлениях: теплота передается от твердого тела в жидкость или газ (например, от инструмента в охлаждающую среду) или, наоборот, от жидкости (газа) к твердому телу (например, при нагреве металла газовой горелкой или струёй ионизированного газа).

Тепловое излучение — это процесс распространения теплоты электромагнитными волнами, который содержит двойное превращение энергии: тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую, а затем лучистая энергия, поглощаемая другим телом, превращается в тепловую.

Температурное поле в твердом теле

Температурное поле представляет собой совокупность значений температур в различных точках тела, имеющих координаты х, у, z, в данный момент времени τ.

Обобщенное математическое описание пространственного (трехмерного) температурного поля:

. (1.1)

Формула (1.1) описывает трехмерное температурное поле, поскольку температура здесь является функцией от трех координат. Однако на практике встречаются случаи, когда изменение температуры по одной из осей координат, например по оси Z, столь незначительно, что им можно пренебречь. Тогда комплекс выражений описывает двумерное (плоское) температурное поле:

, . (1.2)

При описании совокупности температур в твердом теле иногда можно пренебречь изменением температуры вдоль двух осей координат (например, OZ и OY) по сравнению с изменением температура по третьей координатной оси. Тогда мы получаем одномерное температурное поле

, . (1.3)

Нестационарное, стационарное поля. Выражения (1.1)-(1.3) описывают температурные поля при неустановившемся теплообмене, так как температура любой точки нагреваемого тела меняется во времени. Поле температур при неустановившемся тепловом режиме называют нестационарным. В ряде случаев температура различных точек или участков твердого тела в течение некоторого достаточно большого промежутка времени меняется столь незначительно, что этим изменением в практических целях можно пренебречь.

Тогда описание стационарного трехмерного температурного поля, т. е. поля при установившемся теплообмене имеет вид:

, . (1.4)

Аналогичные выражения можно написать для стационарного двумерного или одномерного поля. Все тепловые процессы в технологических подсистемах начинаются с нестационарного теплообмена. Однако значительная часть из них через некоторый промежуток времени становится стационарным.

Во многих случаях важно не только описать температурное поле, но и оценить изменение температур по тому или иному направлению (по длине инструмента, в глубь заготовки и т. д.). Эта оценка выполняется с помощью градиента температуры. Градиентом температуры называют вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный изменению температуры на единице длины этой нормали.

Рассмотрим семейство изотерм, отличающихся друг от друга значениями температур на величину Dq (рис. 1.1). Предел

, (1.5)

где Dn — расстояние, измеренное по нормали в данной точке к изотерме с меньшим значением температуры, представляет собой численное значение градиента. Обозначая 1_n единичный вектор, перпендикулярный к изотермической поверхности, выражаем градиент следующим образом:

. (1.6)