3.2.3 Способы передачи тепла внутри нагретых тел и с их поверхности

Теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводностью называется процесс передачи тепла от одной частицы тела к другой или от одного тела к другому, когда эти частицы или тела соприкасаются друг с другом. Теплопроводность в металлах осуществляется путем теплового движения электронов, а в остальных случаях молекул. Необходимым условием теплопроводности является разность температур.

Количество переданной теплоты Q за время τ (с) через однородную стенку, Дж:

где λ - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м°С;

δ – толщина стенки, м;

T₁ – температура охлаждаемой поверхности, °С;

T₂ – температура охлаждающей среды, °С.

Конвекцией называется процесс передачи тепла путем перемещения частиц жидкости или газа. При естественной конвекции движение охлаждающего газа или жидкости происходит за счет разницы плотностей нагретых и холодных объемов газа или жидкостей. При искусственной конвекции охлаждающая среда приводится в движение с помощью вентиляторов или насосов.

Газ или жидкость, прилегающие к поверхности нагретого твердого тела, нагреваются за счет теплопроводности, плотность уменьшается и частицы поднимаются вверх, унося тепло. На их место приходят менее нагретые частицы и возникает естественная циркуляция. Толщина слоя, участвующего в этом процессе, невелика, например, 12-15 мм для воздуха, 3 мм для трансформаторного масла.

Количество тепла, отдаваемого телом за счет конвекции за время τ (с), Дж:

где α – коэффициент теплопередачи при конвекции, Вт/(м²·°С);

S – охлаждаемая поверхность, м²;

T₁ – температура охлаждающей среды, °С;

T₂ – температура охлаждаемой поверхности, °С.

Коэффициент теплоотдачи является сложной функцией многих факторов (температуры, вязкости, плотности охлаждающей среды, формы охлаждаемой поверхности, скорости вынужденного движения охлаждающей среды, температуры охлаждаемой поверхности). Коэффициент теплоотдачи α определяется опытным путем и приводится в справочниках. Существуют эмпирические формулы для определения коэффициента теплоотдачи.

Рост мощности оборудования вызывает увеличение номинальных токов аппаратов. При естественном охлаждении сечение токоведущих частей аппаратов настолько возрастает, что габаритные размеры аппаратов становятся неприемлемыми. В этом случае применяется жидкостное водяное охлаждение и токоведущие элементы аппарата делаются полыми для прокачивания воды. Теплоотдача в жидкости выше, чем в воздухе. Например, при разности температур 50°С для воздуха , для воды , для трансформаторного масла .

Часть тепла нагретое тело отдает в окружающее пространство путем излучения электромагнитных колебаний (ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей). Этот способ теплоотдачи называется тепловым излучением, лучеиспусканием или радиацией.

Удельный тепловой поток при тепловом излучении:

(2.6)

где T₁ – абсолютная температура более нагретого тела; T₂ – абсолютная температура менее нагретого тела;

ε_Э – безразмерный коэффициент излучения, учитывающий отклонение поверхностей от абсолютно черной.

Суммарное количества тепла, отдаваемое телом всеми видами теплообмена, нелинейно зависит от температуры, что существенно затрудняет тепловые расчеты. Упрощенный расчет можно проводить по следующему уравнению:

где k_т – коэффициент теплообмена, включающий все виды охлаждении, Вт·м^-2·°С^-1.

Коэффициент k_т является сложной функцией температуры и других физических параметров. В диапазоне рабочих температур длительного режима значение этого коэффициента незначительно изменяется.