Раздел:ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Наука о теплообмене изучает самопроизвольные необратимые процессы распространения теплоты в пространстве.

Перенос теплоты может осуществляться тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводностью называется молекулярный процесс распространения теплоты при непосредственном контакте между телами или частями тел с различной температурой. В чистом виде этот процесс возможен лишь в однородных твердых телах.

Под конвекцией теплоты понимают процесс ее переноса при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Перенос теплоты в этом случае неразрывно связан с переносом самой среды.

Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Тепловое изучение - процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, при этом происходит превращение внутренней энергии тела в энергию излучения.

В реальных аппаратах и агрегатах различные виды переноса теплоты часто протекают совместно, такой процесс называется сложным теплообменом.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

1.1.Основные положения теплопроводности

Температурное поле

В общем случае процесс переноса теплоты теплопроводностью сопровождается изменением температуры как в пространстве, так и во времени. Совокупность значений температуры во всех точках изучаемого тела или пространства для каждого момента времени определяет температурное поле. Математическое описание температурного поля выражается уравнением

(1.1)

где х, y, z – координаты точек тела; - временная координата.

Уравнение (1) описывает нестационарное температурное поле, когда температура изменяется от одной точки к другой и с течением времени.

Если темпе­ратура в каждой точке тела с течением времени остается неиз­менной, т.е. , такое температурное поле называют стационарным; в этом случае температура является функцией только координат

(1.2)

Температурный градиент

В любом температурном поле имеются точки, в которых температура одинакова. Если соединить все точки с одинаковой температурой, то получим изотермические поверхности. Пересечение изотермических поверхностей плоскостью дает на этой плоскости семейство изотерм. Очевидно, что изотермические поверхности и изотермы не пересекаются, они или замыкаются, или заканчиваются на границах тела. Температура внутри тела изменяется только в направлениях, пересекающих изотермические поверхности, и наибольшее изменение температуры происходит в направлении нормали к изотермической поверхности (рис.1).

Рис.1.1. К определению температурного градиента

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

(1.3)

Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры, его размерность - град/м.

Необходимым условием переноса теплоты является неравенство нулю температурного градиента.

Тепловой поток. Закон Фурье

(основной закон теплопроводности)

Количество теплоты, переносимой через какую-либо поверхность в единицу времени, называется тепло­вым потоком Q (Вт). Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности, называется плотностью теплового потока, (Вт/м²)

(1.4)

Величина q является вектором, направле­ние которого противоположно направлению вектора темпе­ратурного градиента (рис.1).

Согласно гипотезе Фурье, тепловой поток dQ (Вт), проходящий через элемент изотермической поверхности dF, пропорционален температурному градиенту

(1.5)

Или для плотности теплового потока (Вт/м²) получим

. (1.6)

Уравнение (1.6) является математическим выражением ос­новного закона теплопроводности - закона Фурье.