Министерство образования и науки России

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

В.С.Швыдкий, Б.П.Юрьев, Ю.Г.Ярошенко, В.И.Матюхин

Теплопроводность. Конвекция

Под редакцией проф., д.т.н. Ю.Г.Ярошенко

Печатается по решению редакционно-издательского совета УрФу

от 2010 г.

Екатеринбург

УрФу

2010

УДК 536 (075.8)

ББК

Ф

Рецензенты:

Кафедра

Авторы: В.С.Швыдкий, Б.П.Юрьев, Ю.Г.Ярошенко, В.И.Матюхин

Теплопроводность. Конвекция.

Учебное пособие / Авторы В.С.Швыдкий, Б.П.Юрьев, Ю.Г.Ярошенко, В.И.Матюхин; под науч. ред. Ю.Г.Ярошенко. Екатеринбург: изд. ФГАОУ ВПО «Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

ISBN

Рассмотрены основные положения теории теплопередачи приме-нительно к ее двум основным составляющим – теплопроводности и конвек-ции. Приведены количественные и качественные закономерности протекания этих процессов. В конце каждого теоретического раздела пособия приведены примеры практического использования излагаемого теоретического матери-ала.

Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению 150100 «Металлургия». Рекомендуется для выполнения домашних и контрольных работ, а также для использования при курсовом и дипломном проектировании.

Библ. наим; табл. 6; рис. 24.

УДК 536 (075.8)

ББК

ISBN

© ФГАОУ ВПО «Уральского федерального университета

имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», 2010

© В.С.Швыдкий, 2010

Б.П.Юрьев, 2010

Ю.Г.Ярошенко, 2010

В.И.Матюхин, 2010

ВВЕДЕНИЕ

Теплопередача является частью общего учения о теплоте. Она изучает процессы передачи теплоты от одного тела к другим телам или внутри одного тела от одной его части к другим частям.

Явления теплообмена имеют большое значение в теории констру-ирования, а также и эксплуатации нагревательных устройств, так как ско-рость процессов, протекающих при тепловой обработке материалов (плав-лении, нагреве, сушке), во многом зависит от температуры рабочего прост-ранства нагревательного устройства. При проектировании нагревательного устройства расчетом, основанным на законах теплообмена, определяют расход энергоносителя (топлива и электроэнергии). Знание законов тепло-обмена позволяет проектанту определять основные размеры нагревательного устройства и отдельных его элементов.

В настоящее время теплопередача вместе с технической термодина-микой составляют теоретические основы теплотехники.

Теплопередача – учение о процессах распространения теплоты. Теплота распространяется тремя принципиально различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных тел или частиц одного тела, имеющих различные температуры. Обусловлена движением микрочастиц тела.

Конвекция возможна только в текучей среде – жидкой или газооб-разной. Под конвекцией теплоты понимают процесс переноса тепловой энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Перенос теплоты нераз-рывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение – это процесс распространения тепловой энергии с помощью электромагнитных волн. Сопровождается двойным превращением энергии: тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую и обратно – лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит в тепловую.

Условия и закономерности протекания элементарных явлений различ-ны. В большинстве случаев один вид теплообмена сопровождается другим. Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых однородных телах. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называют конвектив-ным теплообменом.

При инженерных расчетах определяют конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей. Конвективная теплоотдача часто сопровождается теплоотдачей излучением.

В целом перенос теплоты от горячих газов к холодному воздуху через разделяющую их стенку представляет собой сложный процесс, который называют теплообменом или теплопередачей. В рабочем пространстве на-гревательного устройства передача теплоты от нагретых газов к внутренней поверхности стенки будет происходить в основном путем излучения и конвекции, через саму стенку - путем теплопроводности и от наружной по-верхности стенки в окружающее пространство – путем конвекции и излучения.

Следовательно, на отдельных этапах прохождения теплоты элемен-тарные виды теплообмена могут находиться в самом различном сочетании.

Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: в чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения фазового состава. Часто процессы переноса тепловой энергии сопровождаются пере-носом вещества (процессы окисления, восстановления, разложения). При наличии массообмена процессы теплообмена значительно усложняются и будут описываться более сложными дифференциальными уравнениями.