1. Основные законы теплообмена

Тепломассообмен – наука о закономерностях тепло- и массообмена, переноса теплоты и массы вещества.

Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона-Рихмана, согласно которому тепловой поток Q, передаваемый в условиях конвективного теплообмена, пропорционален площади теплоотдающей поверхности F и разности температур Dt между поверхностью и омывающей ее средой

, Вт

Коэффициент пропорциональности a получил название коэффициента теплоотдачи. Он характеризует интенсивность конвективного теплообмена и численно равен тепловому потоку, проходящему через единицу площади теплоотдающей поверхности при разности температур между поверхностью и средой в один градус, т.е.

, Вт/(м²∙К)

где t_c и t_ж – температуры поверхности тела и среды, ^оС,

Теплоотдача — это процесс теплообмена между теплоносителем и твёрдым телом.

Теплопередача — это процесс передачи тепла от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Закон утверждает, что

Плотность теплового потока (выражается в Вт/м²) на границе тел пропорциональна их разности температур (так называемый температурный напор):

 — количество теплоты, отдаваемое с 1 м² поверхности за единицу времени при единичном температурном напоре. Он зависит:

• от вида теплоносителя и его температуры;

• от температуры напора, вида конвекции и режима течения;

• от состояния поверхности и направления обтекания;

• от геометрии тела.

Теплопроводность – процесс передачи тепла элементами частицами вещества по средством их теплового движения элементарных частиц.

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

где   — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси,   — коэффициент теплопроводности (иногда называемый просто теплопроводностью),   — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad T (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

Конвекция – процесс передачи теплоты по средством движения в макрообъеме

Тепловое излучение – перенос теплоты по средством ЭМВ. Лучистая – тепловая.

2. Теплопроводность плоской стенки, граничные условия 1 рода для однослойной стенки.

Рассмотрим однородную плоскую стенку толщиной . На наружных поверхностях стенки поддерживаются постоянные во времени температуры t_c1 и t_c2. Теплопроводность материала стенки постоянна и равна .

При стационарном режиме , кроме того, температура изменяется только в направлении, перпендикулярном плоскости стеки (ось 0х): . Поэтому уравнение теплопроводности имеет вид: .

Постоянные С₁ и С₂ в уравнении определим из граничных условий I рода:

при х = 0: t = t_c1 и C₂ = t_c1;

при х = : t = t_c2 и C₁ = –(t_c1 – t_c2)/ .

Следовательно:

Определим плотность теплового потока через плоскую стенку. В соответствии с законом Фурье с учетом равенства (*) можно написать: .

Следовательно (**).

Разность значений температуры в уравнении (**) называется температурным напором. Из этого уравнения видно, что плотность теплового потока q изменяется прямо пропорционально теплопроводности  и температурному напору t и обратно пропорционально толщине стенки .

Отношение называется тепловой проводимостью стенки, а обратная ему величина – термическим сопротивлением стенки.

Общее количество теплоты, которое передается через поверхность стенки площадью F за промежуток времени : .

Теплопроводность  следует брать при средней температуре стенки.