3.2. Виды теплопередачи

Теплопередача — это переход, передача тепла от одного тела к другому или от одной части пространства или тела к другой вследствие разности температур. Существуют три вида теплопередачи; конвекцией, излучением и теплопроводностью.

Конвекция или конвективный теплообмен — перенос тепла движущимися частицами газов или жидкостей. Различают естественную (свободную) конвекцию, когда движение среды происходит вследствие разности плотностей различно нагретых участков и вынужденную конвекцию (под воздействием перемешивающих средств). В жидкости, наряду с конвективным переносом тепла, всегда имеет место теплопроводность (она велика в жидких металлах). В технике часто рассматривают конвективный теплообмен газа или жидкости с твердой поверхностью. Количество тепла (Q, Дж), передаваемое от стенки газу конвекцией, можно определить по формуле:

Где t_п и t_Г—температура поверхности стенки и газа, К (или°С); F—площадь стенки, м²; α — коэффициент теплопередачи, Вт/ (м² • К); τ — длительность процесса, с. Коэффициент теплопередачи (теплоотдачи) характеризует интенсивность теплообмена, он зависит от при-роды и скорости движущейся среды, от температуры поверхности и газа и ряда других факторов; для случая свободного движения воздуха у плоской стенки его приближенно можно определить по формуле:

α = 10 + 0,06*t_п Вт/(м²*К), где t_п,— температура поверхности стенки, °С.

Теплопроводность — передача тепла от соприкасающихся между собой частиц тела без их взаимного перемещения. В металлах перенос тепла происходит за счет свободных электронов, в неметаллах — колеблющимися атомами. Количество передаваемого теплопроводностью тепла определяется разностью температур и значением коэффициента теплопроводности того или иного вещества. Коэффициент теплопроводности металлов высок: λ = 5 - 450 Вт/ (м • К); у твердых неметаллических материалов λ = 0,15 - 19, у графита 55 - 165 Вт/ (м*К); у газов и жидкостей при нормальной температуре соответственно 0,005—0,3 и 0,13—0,55 Вт/(м*К). Коэффициент теплопроводности λ, зависит также от температуры. Значения коэффициентов теплопроводности некоторых материалов при температурах 0—20 °С приведены ниже:

Материал t, °С λ, Вт/ (м • К)	Fе Сталь(0,5%С) А1 Си Ni
	25 20 0 0 0 58,7 50 204 384 58

Материал Cr Вода Воздух

t, °С 25 0 0

λ, Вт/ (м • К) 55,8 0,5513 0,0244

Значение коэффициентов теплопроводности среднеуглеродистой (0,2—0,5% С) стали при различной температуре приведены ниже:

t, °С 100 400 700 1000 1200

λ, Вт/ (м • К) 49,4 42,5 32,5 26,9 29,6

Эти значения изменяются при введении в сталь легирующих элементов и изменении содержания углерода. Теплопроводность огнеупоров, применяемых для футеровки кислородных конвертеров, характеризуется данными табл. 5.

Простейший случай — передача тепла теплопроводностью через плоскую однослойную (из одного материала) стенку при стационарном режиме (т. е. когда температурное поле не изменяется, температура поверхностей стенок остается постоянной), характеризуется формулой:

,

Таблица 5. Коэффициент теплопроводности λ и теплоемкость Сср некоторых огнеупоров (при 200—1700 °С)

Огнеупор	Открытая пористость, %	Кажущаяся плотность, г/м3	λ, Вт/ (м • К)*	Сср, Дж/(кг . К)
Периклаз	20	2,6—2,8	6,28—0,0027t	1050 +0,145t
Периклазохромит	16 — 20	2,88—3,11	4,1—0,0013t	920
Хромитопериклаз	16 — 20	2,92—3,15	2,48—0,00024t	920
Смолодоломит	21 — 23	2,65—2,74	3,14—0,00056t	1000
Смолопериклаз	18 — 27	2,58—2,88	6,1—0,0023t	—
Периклазоуглеродистый	-	-	В два-три раза больше, чем у смолопериклаза	2000

* Значения λ справедливы лишь при указанных в табл. 5 значениях пористости и кажущейся плотности огнеупора.

где Q – количество передаваемого тепла, Дж/(м²*с); t₁ и t₂ — температуры на противоположных поверхностях стенки, К (°С); S —толщина стенки, м; λ — коэффициент теплопроводности материала при температуре, средней между t₁ и t₂ Вт/(м*К).

Удельное (отнесенное к 1 с и 1 м² поверхности) количество тепла, которое передается через многослойную плоскую стенку, состоящую из n слоев различных веществ, равно, Дж/(м²*с),

,

где t₁ и t_п+1 —температуры внутренней (нагретой) и наружной поверхности стенки, °С; S —толщина слоя из того или иного материала, м; λ — коэффициент теплопроводности материала при температуре, средней для каждого из слоев, Вт/ (м • К).

Потери тепла через футеровку печи, состоящую, например, из двух слоев огнеупорных материалов в окружающую воздушную среду можно определить по формуле, кДж;

Где t_вн и t_нар — температуры внутренней и наружной поверхности футеровки, °С; S — толщина каждого из слоев футеровки, м; λ₁ и λ₂ — каждого из слоев огнеупора температуре, Вт/ (м • К); α — коэффициент теплоотдачи от стенки окружающему воздуху, Вт/ (м² • К); т—время, с; F — площадь футеровки печи, м².

Теплообмен излучением — это передача тепловой энергии электромагнитными волнами (преимущественно это инфракрасное излучение с длиной волн от 0,8 до 50 мкм). Каждое тело (вещество) постоянно излучает тепловые лучи и поглощает излучение окружающих. тел. Согласно закону Кирхгофа лучеиспускательная способность тела пропорциональна его поглощательной способности.

Лучеиспускательную способность характеризуют степенью черноты, которая может изменяться от 0 до 1 и коэффициентом излучения (лучеиспускания). Максимальные значения этих величин у так называемого абсолютно черного тела: степень черноты ε = 1 и коэффициент излучения с₀ = 5,7 • 10'⁸ Вт/ (м² • К⁴). Все реальные тела и вещества не являются абсолютно черными и могут излучать и поглощать меньше лучистой энергии: степень черноты у них < 1, а коэффициент излучения с = ε -с₀. Степень черноты ε зависит от природы вещества, температуры и состояния поверхности тела; значения ε для некоторых веществ приведены в табл. 6.

Таблица 6. Степень черноты некоторых материалов

Материал	t, oC	ε
Сталь листовая прокатная	50	0,6
Сталь полированная	40—260	0,07 0,10
Алюминий листовой	90	0,09
Графит, углерод Сталь жидкая	— 1700—1800	0,93 0,28
Чугун жидкий Шлаки жидкие	1400 —	0,29 0,53—0,9
Магнезитовый кирпич	1500	0,39

Полное количество лучистой энергии Е, Дж/(м²*с), излучаемой за 1 с с 1 м² поверхности тела, выражается формулой Стефана— Больцмана:

,

Где Т – температура тела, К (^оС+273).

Количество тепла, передаваемого излучением от более нагретого тела к менее нагретому, определяется по формуле, Дж/(м²*с):

,

Где Т₁ и Т₂ — температура первого и второго тел, К (°С+273); ε — приведенная степень черноты, которая зависит от степени черноты обоих тел (ε₁ и ε₂), геометрии системы и др.