1.3.2. Понятия тонкого и массивного тела

С теплотехнической точки зрения все тела, подвергаемые нагреву, в зависимости от характера распределения температуры внутри них делятся на термически тонкие и термически массивные.

К тонким относят тела с малым внутренним тепловым сопротивлением (в пределе  0), к массивным относятся тела с относительно большим тепловым сопротивлением (в пределе  ). У тонкого тела тепловое сопротивление переносу теплоты теплопроводностью (внутреннее) от его поверхности к середине значительно меньше теплового сопротивления теплоотдачи (внешнего), т.е.

<<

Число Био является критерием термической массивности тел. В термически тонких телахBi0, перепад температур по сечению практически отсутствует, т.е. можно принять распре­деление температуры по сечению изделия равномерным. Для массивных тел Bi, при нагревании и охлаждении их наблюдается значительный перепад температур по сечению и требуется производить выдержку для выравнивания температуры.

Изменение температуры во времени на поверхности t_пов и в середине t_ц неограниченной пластины при граничных условиях третьего рода (t_ж = const) для идеально тонких и идеально массивных тел при двухстороннем нагреве представлено на рис. 1.8.

а) б)

Рис.1.8. Изменение температуры поверхности и середины пластины тонких (а) и массивных (б) тел

На рис. 1.9 показано распределение температуры по толщине бесконечной пластины в различные периоды времени нагрева.

а) б)

Рис.1.9. Распределение температуры по толщине пластины:

а) при Bi  0, б) при Bi  ∞

Из опыта работы нагревательных устройств установлено, что к тонким телам можно отнести такие, у которых Bi< 0,25, а при Bi  0,5 тела следует считать массивными.

2. Конвективный теплообмен

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.

Перенос теплоты от поверхности твердого тела к жидкой среде или наоборот называется также конвективным теплообменом или конвективной теплоотдачей.

Интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом теплоотдачи . В общем случаеможет изменяться вдоль поверхности теплообмена.

2.1. Основной закон конвективного теплообмена

Жидкие или газообразные теплоносители нагреваются или охлаждаются при соприкосновении с поверхностями твердых тел. Например, дымовые газы в печах отдают свою теплоту нагреваемым заготовкам, а в паровых котлах – трубам, внутри которых греется или кипит вода; воздух в комнате нагревается от горячих приборов отопления и т.д. Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью называется теплоотдачей, а поверхность тела, через которую переносится теплота, - поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.

Согласно закону Ньютона – Рихмана тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален разности температур поверхности t_c и жидкости t_ж и площади поверхности теплообмена F

Q=(t_c-t_ж)F(2.1)

В процессе теплоотдачи, независимо от направления теплового потока Q(от стенки к жидкости или наоборот), значение его принято считать положительным, поэтому разностьt_c–t_жберут по абсолютной величине, т.е. просто из большего значения вычитают меньшее.

Для 1 м²поверхности теплообмена

q=(t_c-t_ж) . (2.2)

Коэффициент пропорциональности называетсякоэффициентом теплоотдачи(Вт/м²К), он характеризует интенсивность процесса теплоотдачи. Численное значение его равно тепловому потоку от единичной поверхности теплообмена при разности температур поверхности и жидкости в один градус.

Коэффициент теплоотдачи может быть различным в разных точках поверхности теплообмена, в этом случае вводят понятие локального (местного) коэффициента теплоотдачи, который является функцией координат на поверхности. Для упрощения тепловых расчетов часто пользуются средним по поверхности значениемкоэффициентом теплоотдачи_ср.

Различают естественное и вынужденное движение (конвекцию) жидкости. Вынужденное движение создается внешним источником (насосом, вентилятором, ветром). Естественная конвекция возникает только при теплообмене за счет разности плотностей – среды, нагретой около теплоотдающей поверхности и холодной, находящейся вдали от поверхности.

В общем случае коэффициент теплоотдачи определяется большим количеством факторов и является функцией формы поверхности, размеров, температуры поверхности и среды, скорости движения жидкости, природы жидкости и ее физических свойств и др.