Виды теплопередачи
Теплопроводность
Теплопроводность это теплообмен между частицами или элементами структуры материальной среды, находящимися в непосредственном соприкосновении друг с другом. Передача тепла происходит от более теплых слоев (поверхностей) к холодным. В теории теплопроводности пренебрегают (виду малости частиц и расстояний между ними) корпускулярным строением вещества, считая его сплошной средой.
Количество тепла при неизменном температурном перепаде (стационарный тепловой поток), проходящее через единицу площади согласно уравнения Фурье составит
, (2.8)
где
- изменение (градиент) температур по
толщине в направлении х.
Знак (-) в формуле показывает, что тепловой поток направлен в сторону понижения температуры.
При неустановившихся условиях (нестационарный поток) количество тепла, распространяющееся в направлении х изменяется, что связано с поглощением и отдачей тепла частицами материальной среды при изменении температуры с течением времени. В таком случае изменение потока находится дифференцированием предыдущего выражения
. (2.9)
Изменение потока тепла пропорционально теплоемкости материала сρ и может быть выражено зависимостью
или 
(2.10)
При отсутствии внутренних источников и стоков тепла изменение величины теплового потока связано только с поглощением тепла материалом и потому последние два выражения (3.9 и 3.10) равны между собой
. (2.11)
При неустановившемся распространении тепла по всем трем осям координат дифференциальное уравнение приобретает вид:
, (2.12)
где
- оператор Лапласа.
В стационарных
условиях теплопередачи изменение
температуры во времени не происходит
(
),
тогда уравнение Лапласа имеет вид
. (2.13)
При двумерном распространении тепла уравнение выглядит
. (2.14)
Для одномерного распределения тепла
. (2.15)
Конвекция
Конвекция – теплообмен движущимися массами воздуха у нагретых или охлажденных поверхностей. У нагретых воздух [2] поднимается вверх, а у холодных опускается вниз. В потоке около вертикальной поверхности образуется пограничный слой, толщина которого (см. рис. 2.1) возрастает по направлению движения. В инженерных расчетах принимается свободная конвекция за счет естественных сил.
По высоте можно
выделить три условных зоны. У
пола располагается зона ламинарного
потока.
Длина єтой
зоны (при
температуре внутреннего воздуха
= 20 оС)
равна
.
Среднее значение коэффициента
конвективного обмена в пределах этой
зоны составляет
.
Здесь
-
коэффициент конвективного теплообмена,
равный тепловому потоку, приходящемуся
на единицу поверхности в единицу времени
при разности температур между воздухом
и поверхностью 1 оС.
Затем происходит
нарушение ламинарного течения, в
переходной зоне появляются поперечные
движения воздуха. В третьей по высоте
зоне устанавливается турбулентный
режим. Для турбулентной зоны коэффициент
конвективного теплообмена не зависит
от высоты и его величина определяется
как
.
Рис. 2.1 – Пограничные
слои при свободной конвекции (
-
толщина ламинарного подслоя) [2]
Для горизонтальной поверхности закон распределения тот же, но меняются численные коэффициенты:
горизонтальная, обращенная вверх нагретая - 2,26, охлажденная – 1,16;
горизонтальная, обращенная вниз нагретая – 1,16, охлажденная – 2,26.
В случае, если поверхность горячая обращена вверх или холодная поверхность вниз, то наблюдается “сахар-эффект”. Воздух (см. рис. 2.2а) опускается про границам шестигранников и поднимается в их центрах. За счет сложностей подвода воздуха к центральной части при увеличении размеров горизонтальной поверхности средний коэффициент уменьшается.
Рис. 2.2 – Движение воздуха при свободной конвекции около горизонтальной нагретой поверхности, обращенной нагретой стороной вверх (а) и вниз (б) [2]
У горизонтальной поверхности, обращенной вниз или холодной, обращенной вверх движение воздуха происходит по схеме, представленной на рис. 2.2.б
Здесь также с увеличением площади поверхности осложняется подвод тепла и среднее значение уменьшается.
В инженерных расчетах для определения количества тепла Qк, Вт, используется формула Ньютона
, (2.16)