
- •Оглавление
- •Предисловие
- •1. Теплопроводность
- •1.1 Основной закон теплопроводности
- •Стационарная теплопроводность плоской стенки
- •Однородная стенка
- •1.2.2. Многослойная стенка
- •Стационарная теплопроводность цилиндрической стенки
- •Однородная стенка
- •1.3. 2 Многослойная стенка
- •1.3. 3 Упрощение расчетных формул (дополнительные сведения)
- •Стационарная теплопроводность шаровой стенки (дополнительные сведения)
- •Стационарная теплопроводность тел неправильной формы
- •1.6 Нестационарная теплопроводность
- •1.6.1 Общие понятия
- •1.6.2 Нагрев тел с равномерным температурным полем – «термически тонких тел»
- •1.6.2.1 Тепло на поверхность передается конвекцией.
- •1.6.3. Нагрев тел с неравномерным температурным полем. (термически массивных тел)
- •1.6.3.1 Нагрев при постоянной температуре поверхности
- •1.6.3. 2 Нагрев при постоянной плотности теплового потока через поверхность
- •1.6.3.3 Нагрев при передаче тепла конвекцией от среды с постоянной температурой
- •2 Конвективный теплообмен
- •2.1. Основные положения конвективного теплообмена
- •2. 2. Пограничный слой и уравнение теплообмена на границе раздела
- •2. 3. Дифференциальное уравнение теплопередачи конвекцией
- •2.4 Подобие и моделирование процессов конвективного теплообмена
- •2. 5 Моделирование процессов конвективного теплообмена
- •2. 6 Физический смысл критериев теплового подобия
- •2.7 Теплопередача конвекцией при свободном движении
- •2. 8 Теплопередача конвекцией в вынужденном потоке
- •2. 9 Теплообмен при продольном обтекании плиты, прямоугольного параллелепипеда
- •2.10 Значение теплопередачи конвекцией в нагревательных печах
- •3 Лучистый теплообмен
- •3.1 Общие положения
- •3.2 Основные понятия
- •3.3 Законы теплового излучения для условия равновесной среды
- •3.4 Лучистый теплообмен между двумя серыми телами
- •3.4.1 Две небольшие и далекие поверхности
- •3.4.2 Лучистый теплообмен между двумя телами,
- •3.5 Лучистый теплообмен в замкнутой системе тел
- •3.6 Теплообмен излучением при установке экранов
- •3.7 Излучение через отверстие в печных стенах
- •3.8 Теплообмен между газами и твердыми телами
- •3.8.1 Особенности излучения газов и паров
- •3.8.2 Уравнение переноса лучистой энергии
- •3.9 Лучистый теплообмен между газом и окружающими его стенками
- •3.10 Излучение факела пламени и карбюрация
- •3.11 Лучистый теплообмен одновременно с конвекцией
- •Перечень ссылок
Стационарная теплопроводность шаровой стенки (дополнительные сведения)
Пусть имеется полый шар, радиус внутренней поверхности которого равен r1 и внешней r2. Стенка шара состоит из одного материала, коэффициент теплопроводности которого по-
стоянен и равен λ. Внутренняя и внешняя поверхности шара поддерживаются при постоянных температурах t1 и t2, причем
t1 > t2. (рис.13). Температура изменяется только в направлении радиуса. Изотермические поверхности представляют собой концентрические шаровые поверхности.
Выделим внутри стенки шаровой слой радиусом г и толщиной dr. Поверхность этого слоя является изотермической.
Согласно закону Фурье тепловой поток, проходящее через этот слой равен
Рис.1-14.
Однородная шаровая стенка.
(41а)
Разделив переменные, получим:
(41в)
Интегрирование этого уравнения дает:
(41с)
Подставляя в уравнение (41с) значения переменных величин на границах стенки, а именно при r = r1, t = t1, и при r = r2, t = t2, получим два равенства:
откуда определяется искомая величина
(41д)
(41е)
Вычитая из первого равенства (41д) второе (41е), получим
Откуда определяется искомая величина q
(42)
где δ
- толщина стенки, равная
.
Эти уравнения являются расчетными формулами теплопроводности шаровой стенки.
Если в уравнение (41с) подставить значение С из уравнения (41д) и значение q из уравнения (42), то получим уравнение температурной кривой:
(43)
Последнее представляет собой уравнение гиперболы. Следовательно, при постоянном значении коэффициента теплопроводности внутри однородной шаровой стенки температура изменяется по закону гиперболы.
Если же учесть зависимость коэффициента теплопроводности от температуры λ = λ0(1+ bt),, то уравнение температурной кривой для сферической стенки будет иметь следующий вид:
Стационарная теплопроводность тел неправильной формы
Каждая из вышеприведенных формул (12а), (26) и (42) применима лишь для одного вида геометрически правильного тела - плоского, цилиндрического или шарового. Расчет тепло-проводности всех этих тел можно охватить одной формулой теплового потока , которая имеет следующий вид:
,
Вт
(44)
где λ - коэффициент теплопроводности;
δ - толщина стенки;
Δt - температурный напор;
Fх - расчетная поверхность тела.
В
зависимости от формы тела Fх
определяется
различно; если F1
-
внутренняя и F
2
—
внешняя поверхность тела, то: а) для
плоской стенки и цилиндрической при
<
2
(45а)
б) для цилиндрической стенки при >2
(45в)
в) для шаровой стенки
(45с)
При расчете теплопроводности плоской стенки, цилиндра и шара формула (44) перед формулами (12), (26) и (42) никаких преимуществ не имеет. Однако ее достоинство заключается в том, что по ней можно рассчитать теплопроводность тел неправильной геометрической формы, например теплопроводность плоской стенки, у которой F1 ≠ F1 т. е. когда поперечное сечение теплового потока в ней представляет собой переменную величину; теплопроводность любых цилиндрических сечений, ограниченных плавными кривыми; теплопроводность всяких замкнутых тел, у которых все три линейных размера между собой близки.
В практике нередко встречаются случаи, когда объект расчета является сложным сочетанием различных тел. Расчет теплопроводности таких сложных объектов обычно производят раздельно по элементам, мысленно разрезая их плоскостями параллельно и перпендикулярно направлению теплового потока. Однако вследствие различия термических сопротивлений отдельных элементов, а также вследствие различия их формы в местах соединения элементов распределение температур может иметь очень сложный характер и направление теплового потока может оказаться неожиданным. Поэтому указанный способ расчета сложных объектов имеет лишь приближенный характер. Более точно расчеты сложных объектов можно провести лишь в том случае, если известно распределение изотерм и линий тока, которое можно определить опытным путем при помощи методов гидроэлектроаналогии. Однако самые надежные данные по теплопроводности сложных объектов можно получить только путем непосредственного эксперимента. Опыт можно проводить или на самом объекте, или на уменьшенной модели этого объекта.
При выводе расчетных формул принималось, что температуры поверхностей тела постоянны. В практических расчетах это условие не всегда удовлетворяется. В таких случаях поступают следующим образом. Если в отдельных точках поверхности температура разнится не сильно, то производят усреднение температур по поверхности. В дальнейшем с этой средней температурой расчет производится как с постоянной. Средняя температура по поверхности определяется по формуле
(46)
где F1, F2, . . . , Fп - участки поверхности с постоянной темпе-
ратурой;
t1, t2, . . . , tп - температуры этих участков.
Если же температура по поверхности изменяется резко, тогда поверхность разбивается на участки и для каждого из них в отдельности подсчитывается количество прошедшего тепла. Складывая эти количества и деля сумму на общую поверхность тела, получают среднее значение теплового потока. В пределах каждого участка усреднение температуры производят по формуле (46).
Теплопроводность жидкостных и газовых тел определяется по тем же формулам, какие были приведены для твердых тел. Однако при этом необходимо иметь в виду, что в жидкостях и газах в чистом виде явление теплопроводностди наблюдается лишь в очень тонких слоях и при таком расположении слоя, когда частицы с наименьшей плотностью, т. е. наиболее нагретые, находятся наверху, а наиболее плотные - внизу. В противном случае в слое возникает конвекция, вследствие чего передача тепла через жидкостный или газовый слой возрастает. Кроме того, через газовые слои тепло передается не только путем теплопроводности, но и путем излучения. Все эти обстоятельства сильно затрудняют расчет теплопроводности через газы, и ошибка расчета может достигать 50 - 200%. Поэтому при расчете теплопередачи через газовые прослойки необходимо принимать во внимание и влияние конвекции и излучения.