2.3. Нестационарная теплопроводность

Процессы теплопроводности, когда поле температуры внутри тела изменяется не только в пространстве, но и во времени, т.е , называют нестационарными. Они имеют место при нагревании (охлаждении) различных заготовок и изделий, производстве стекла, обжиге кирпича, пуске и останове различных теплообменных устройств, энергетических агрегатов и т. д.

Среди практических задач нестационарной теплопроводности важнейшее значение имеют две группы процессов: а) тело стремится к тепловому равновесию; б) температура тела претерпевает периодические изменения.

К первой группе относятся процессы прогрева или охлаждения тел, помещенных в среду с заданным тепловым состоянием, например, прогрев металлических заготовок в печи, охлаждение закаливаемой детали и т. п.

Ко второй группе относятся процессы в периодически действующих подогревателях, например тепловой процесс регенераторов, насадка которых то нагревается дымовым газами, то охлаждается воздухом.

На рис. 2.3.1 показан характер кривых, полученных при нагревании однородного твердого тела в среде с постоянной температурой t_ж. По мере нагрева температура в каждой точке асимптотически приближается к температуре греющей среды. Наиболее быстро изменяется температура точек, лежащих вблизи поверхности тела. С увеличением времени прогрева эта разность будет уменьшаться и теоретически через достаточно большой отрезок времени она будет равна нулю.

Для решения задач нестационарной теплопроводности используют следующие безразмерные числа подобия:

1. Число Био , физический смысл которого - отношение внутреннего теплового сопротивления к внешнему. Био характеризует «термическую массивность» тел. Если число Био Bi<0,25 – тело термически тонкое. Это означает, что поверхность и центр в образце прогреваются одновременно, по сечению тела температура одинаковая. Если Bi>0,25 – тело термически массивное. Быстрее нагревается поверхность, температура в центре меньше, чем на поверхности.

2. Число Фурье - указывает на безразмерное время нагревания.

По номограммам Будрина, зная значения чисел Bi и Fо, находят безразмерную температуру.

2.4. Конвективный теплообмен (теплоотдача)

Конвекция – перенос теплоты в движущейся жидкости большими молярными объемами среды от большей к меньшей температуре. Так как имеется контакт объемов среды с различной температурой, то конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Конвекция бывает двух видов:

1. Вынужденная за счет разности давлений, создаваемых энергетическими аппаратами.

2. Свободная (естественная) за счет разности плотностей нагретой и холодной жидкости.

Закон теплоотдачи

Конвективный теплообмен на границе между твердой поверхностью и движущейся средой называют также конвективным теплообменом или конвективной теплоотдачей, которая описывается законом Ньютона - Рихмана

Вт

Для 1 м² поверхности теплообмена

Вт/м

где - коэффициент теплоотдачи, характеризует интенсивность конвективного теплообмена. В общем случае  может изменяться вдоль поверхности теплообмена и зависит от:

а) вида конвекции ;

б) скорости и режима движения жидкости;

в) формы и размеров поверхности;

г) природы жидкости и ее физических свойств и др.