Вопрос 7

Тепловая энергия представляет собой внутреннюю энергию вещества, и ее количество, передаваемое в тепловом процессе, называют количеством тепла. Количество тепла, передаваемое в единицу времени, называется тепловым потоком. Обе величины будем обозначать через Q, а отличаться они будут единицей измерения. Количество тепла измеряется в джоулях, а тепловой поток – в ваттах. В формулах для расчета количества тепла всегда присутствует время , а при расчете теплового потока предполагается =1 с и время в формуле отсутствует. Отношение теплового потока к поверхности, через которую он проходит [поверхность теплопередачи F (м²)], называют удельным тепловым потоком q (Вт/м²). Тепловой поток возникает только при наличии разности температур, которая является движущей силой тепловых процессов и называется температурным напором. Единицей измерения температурного напора является градус. Численные значения температурного напора не зависят от шкалы измерения температуры (шкала Кельвина или Цельсия). При неизменности температур всех точек системы во времени тепловой процесс будет стационарным. Если это условие не соблюдается даже для отдельных точек системы, то процесс считается нестационарным.

Передача тепла может осуществляться тремя способами:

теплопроводностью, конвекцией и лучистым теплообменом. В чистом виде встречаются теплопроводность и лучистый теплообмен, а конвекция всегда проходит совместно с теплопроводностью, и, в некоторых случаях, – совместно с лучистым теплообменом.

Тепловой процесс, проходящий между твердой стенкой и теплоносителем (жидким или газообразным), называют теплоотдачей, а между двумя теплоносителями через разделяющую их стенку – теплопередачей. В общем случае количество передаваемого тепла определяется по основному уравнению теплопередачи:

Q=KFt_ср, где К – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопередачи, Вт/(Км²);  – время, с; t_ср – средний температурный напор, К или С. В простейшем случае средний температурный напор равен разности средних температур горячего и холодного теплоносителей.

Коэффициент теплопередачи численно равен количеству тепла, передаваемому от горячего теплоносителя к холодному за время =1 с, через поверхность теплопередачи F=1 м² при среднем температурном напоре t=1 С. Он зависит от большого числа факторов, и определение коэффициента теплопередачи представляет основную задачу теории теплообмена.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением R=1/К (м²К/Вт).

Критерии подобия:

1) Рейнольдса критерий (син.: Рейнольдса число) — безразмерная характеристика течения жидкости, являющаяся одним из основных критериев подобия течения жидкости с учетом ее вязкости.

Число Рейнольдса определяется следующим соотношением:

где ρ — плотность среды, кг/м3; v — характерная скорость, м/с; L — характерный размер, м;

η — динамическая вязкость среды, Н·с/м2; ν — кинематическая вязкость среды, м2/с( ) ;

Q — объёмная скорость потока; A — площадь сечения трубы.

2) Число Прандтля (Pr) — один из критериев подобия тепловых процессов в жидкостях и газах, учитывает влияние физических свойств теплоносителя на теплоотдачу:

где — кинематическая вязкость; η — динамическая вязкость;

ρ — плотность; — коэффициент теплопроводности; — коэффициент температуропроводности; c_p — удельная теплоёмкость среды при постоянном давлении.

Число Прандтля — физическая характеристика среды и зависит только от её термодинамического состояния. У газов число Прандтля с изменением температуры практически не изменяется (для двухатомных газов , для трёх- и многоатомных газов ). У неметаллических жидкостей число Прандтля изменяется с изменением температуры тем значительнее, чем больше вязкость жидкости (например, для воды при 0 °C Pr = 13,5, а при 100 °C Pr = 1,74; для трансформаторного масла при 0 °C Pr = 866, при 100 °C Pr = 43,9 и т. д.). У жидких металлов и не так сильно изменяется с температурой (например, для натрия при 100 °C Pr = 0,0115, при 700 °C Pr = 0,0039).

3) Число Грасгофа (Gr) — критерий подобия, определяющий процесс теплообмена при свободном движении в поле гравитации и являющийся мерой соотношения архимедовой (подъёмной) силы, вызванной неравномерным распределением плотности в неоднородном поле температур, и силами межмолекулярного трения.

где: g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²; L — определяющий линейный размер поверхности теплообмена, м; t_c — температура поверхности теплообмена, °C;

t₀ — температура теплоносителя, °C; ν — коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

β — температурный коэффициент объёмного расширения теплоносителя, для газов

4) Критерий Галилея - характеризует движение тела в вязкой среде под действием сил тяжести.(из лекций Надеина А.А.)

,

где: g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²; L — определяющий линейный размер;

ρ — плотность; Мю( кажется динамическая вязкость)

5) Критерий Кутателадзе (Ku) – критерий фазового перехода, который служит мерой отношения теплоты, затрачиваемой на фазовое превращение, к теплоте переохлаждения (перегрева) жидкой фазы при температуре её насыщения:

где r – скрытая теплота парообразования (теплота конденсации), Дж/кг, с_ж - удельная теплоёмкость конденсата, Дж/(кг. К),