- •Часть 2. Теплопередача
- •Теплопроводность и теплопередача при стационарном режиме
- •Температурное поле. Градиент температуры
- •Механизмы и законы переноса теплоты. Явления теплопроводности, теплоотдачи и излучения
- •Теплопроводность через плоскую стенку
- •Теплопроводность через плоскую многослойную стенку
- •Теплопроводность через цилиндрическую стенку
- •Теплопроводность через многослойную цилиндрическую стенку
- •Теплопередача через мнослойную плоскую стенку
- •Теплопередача через мнослойную цилиндрическую стенку
- •Критический диаметр тепловой изоляции трубопровода
Теплопроводность через цилиндрическую стенку
На рисунке 1.4 изображено осевое сечение цилиндрической стенки.
Пусть на границах цилиндрической стенки заданы граничные условия первого рода:
(1.14)
При длине стенки тепловой поток имеет радиальное направление, а температурное поле одномерное, то есть .
Для стационарной одномерной задачи о теплопроводности цилиндрической стенки без внутренних источников теплоты дифференциальное уравнение (1.5) в цилиндрической системе координат при постоянном коэффициенте теплопроводности ( ) можно привести к виду:
. (1.15)
Введя новую переменную , преобразуем уравнение (1.15):
.
После разделения переменных и интегрирования полученного уравнения получим:
. (1.16)
Потенциируя уравнение (1.16), найдём . Возвращаясь к перевоначальным переменным, запишем:
.
Интегрируя последнее уравнение, получим общее решение, описывающее распределение температуры в цилиндрической стенке:
. (1.17)
Искривление линии температуроно поля в цилиндрической стенке обусловлено изменением плотности теплового потока, равного , при изменении радиуса цилиндра. При увеличении радиуса r величина площади , где - длина стенки, также увеличивается. Поэтому при большей величине радиуса температурная линия проходит положе и, наоборот, при малых величинах радиуса – более круто. Это правило сохраняется также при обратном направлении теплового потока (см. пунктир на рисунке 1.4).
Определим две константы интегрирования, входящие в полученное общее решение (1.17). Для этого воспользуемя двумя граничными условиями первого рода (1.14). В результате найдём:
(1.18)
Преобразуем общее решение (1.17), подставив в него значения констант интегрирования (1.18):
, (1.19)
где - внутренний, наружный и текущий диаметры цилиндрической стенки.
Используя формулу (1.19), определим градиент температуры в стенке:
. (1.20)
Найдём тепловой поток через стенку по формуле Фурье:
. (1.21)
Поделив обе части формулы (1.21), определим тепловой поток, приходящийся на единицу длины цилиндрической стенки:
. (1.22)
Величину называют внутренним термическим сопротивлением цилиндрической стенки.
Обозначим плотность теплового потока на внутренней и внешней поверхности стенки соответственно параметрами и . Так как при стационарном режиме поток теплоты через цилиндрическую стенку одинаков, то можно записать соотношение:
.
Из него найдём связь между параметрами :
. (1.23)
Теплопроводность через многослойную цилиндрическую стенку
На рисунке 1.5 показана многослойная цилиндрическая стенка.
Получим формулу для определения теплового потока через многослойную цилиндрическую стенку, состоящую из n слоёв, с учётом контактного термического сопротивления. Контактное сопротивление на рисунке 1.5 условно показано в виде скачка температуры на границе контакта слоёв. Температура справа от границы контакта обозначена штрихом, а слева – двумя штрихами.
На границах многослойной цилиндрической стенки зададим граничные условия первого рода:
Величина теплового потока, приходящегося на единицу длины стенки, для i – го слоя и i – ой поверхности контакта равна:
Записав на основе этих формул разности температур для каждого из n слоёв и поверхности контакта и исключив после этого промежуточные температуры (также как и для плоской многослойной стенки), получим формулу для определения теплового потока через многослойную цилиндрическую стенку:
. (1.24)
Промежуточную температуру поверхности контакта определим также как в случае плоской многослойной стенки. Например, температура согласно формуле (1.24) при будет иметь значение:
. (1.25)