Основы теории теплообмена

В природе существуют три способа переноса теплоты:

1) теплопроводность;

2) конвекция;

3) излучение.

Теплопроводность – это способ переноса теплоты за счет слздания молекул. Теплопроводность происходит при любом агрегатном состоянии вещества.

Конвекция – тепло переносится неравномерно прогретым потоком газа или жидкости.

Различают два вида конвекции:

- свободная

- вынужденная.

Свободная конвекция – происходит за счет разности плотностей горячего и холодного объемов вещества.

Вынужденная конвекция – возникает под действием внешних возбудителей (насоса, вентилятора, компрессора и других).

Излучением теплота передается через все лучепрозрачные среды, в том числе и через вакуум. Носителями энергии при теплообмене излучением является фотоны, излучаемые и поглощаемые телами, участвующими в теплообмене.

Теплопроводность.

Закон Фурье:

вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температур: q =-grad t.

« - » - означает, что q направлен в сторону уменьшения температуры.

q – плотность теплового потока, т.е. количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единичную площадь поверхности, [Вт/м²];

 - коэффициент теплопроводности, характеризует способность данного вещества проводить тепло, [Вт/м*К];

grad t – градиент температур – вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности и численно равный производной от температуры по этому направлению, [К/м].

Однородная плоская стенка.

;

.

- тепловая проводимость стенки, а величина - называется тепловым или термическим сопротивлением стенки R_.

.

Часто термическим сопротивлением называют величину , которая равна термическому сопротивлению плоской стенки площадью 1 м².

Многослойная стенка.

.

Цилиндрическая стенка.

Термическое сопротивление для цилиндрической стенки:

;

.

Конвективный теплообмен

Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью называется теплоотдачей, а поверхностью тела, через которую переносится теплота, - поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.

Закон Ньютона – Рихмана:

Тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален площади поверхности теплообмена F и разности температур поверхности t_с и жидкости t_ж.

Q = *F*( t_с- t_ж),

- коэффициент теплоотдачи, характеризует интенсивность процесса теплоотдачи, [Вт/(м²*К)].

Теплопередача – теплообмен между двумя жидкостями через разделяющую их стенку.

Уравнение теплопередачи для плоских стенок:

.

Q = k*F*t,

где k – коэффициент теплопередачи,

.

Для цилиндрической стенки:

.

Числа подобия

Число Нуссельта: , представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи;

Число Рейнольдса: ,

- скорость течения жидкости, [м/с];

- кинематическая вязкость, [м²/с];

l – линейный размер, [м].

Число Рейнольдса выражает отношение сил инерции (скорость напора) к силам трения.

Число Прандтля: , состоит из величин, характеризующих теплофизические свойства вещества и по существу само является теплофизической константой вещества.

Число Грасгофа: ,

g – ускорение свободного падения, [м/с²];

 - температурный коэффициент объемного расширения, [1/k].

Оно характеризует отношение подъемной силы, возникающей вследствие теплового расширения жидкости, к силам жидкости.