23 Способы передачи тепла и виды теплообмена. Теплопередача через стенку и факторы, влияющие на ее интенсивность. Способы увеличения и уменьшения теплопередачи через стенку.

Передача тепла от одного тела к другому осуществляется различными способами. Передача тепла конвекцией заключается в том, что перенос тепла на границе стенка - газ осуществляется за счет непрерывно подходящих к стенке новых частичек газа, которые либо уносят с собой тепло, либо отдают его стенке. Обычно перенос тепла происходит одновременно как теплопроводностью, так и конвекцией. Во многих процессах передача тепла осуществляется излучением. Излучение возникает в результате превращения части тепловой энергии в лучистую. При обжиге известняка в печах разных конструкций теплообмен происходит разными способами. Виды теплообмена Теплопроводность Конвекция Тепловое излучение.Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них:

теплоотдача, теплопередача; конвективно-лучистый перенос тепла.

Теплопередачей называется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через стенку, разделяющую эти теплоносители.

Теплопередача через плоскую стенку. Рассмотрим однослойную плоскую стенку толщиной d и теплопроводностью l

Температура горячей жидкости (среды) t'ж, холодной жидкости (среды) t''ж. Количество теплоты, переданной от горячей жидкости (среды) к стенке по закону Ньютона-Рихмана имеет вид: Q = a1 · (t'ж – t1) · F, где a1 – коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой t'ж к поверхности стенки• с температурой t1; F – расчетная поверхность плоской стенки. Тепловой поток, переданный через стенку определяется по уравнению: Q = l/d · (t1 – t2) · F. (12.2)

Пути интенсификации теплопередачи. При неизменной разности температур между горячим и холодным теплоносителями передаваемый тепловой поток зависит от коэффициента теплопередачи. Так как теплопередача представляет собой сложное явление, рассмотрение путей ее интенсификации связано с анализом частных составляющих процесса. В случае плоской стенки Увеличение k может быть достигнуто за счет уменьшения толщины стенки и выбора более теплопроводного материала. Если термическое сопротивление теплопроводности стенки мало, то при

Отсюда видно, что коэффициент теплопередачи всегда меньше самого малого из коэффициентов теплоотдачи. Следовательно, для увеличения коэффициента теплопередачи нужно увеличивать наименьшее из значений коэффициентов теплоотдачи a1 или a2. Если a1»a2, то необходимо увеличивать и a1 и a2 одновременно. Если увеличить наименьший коэффициент теплоотдачи не удается, теплообмен можно интенсифицировать путем оребрения стенки со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи.

24 Теплопроводность как способ теплообмена. Теплопроводность простейших тел (плоская стенка, цилиндр, шар).

Теплопроводность - способность материала передавать тепло от одной своей части к другой в силу теплового движения молекул. Передача тепла в материале осуществляется кондукцией (путем контакта частиц материала), конвекцией (движением воздуха или другого газа в порах материала) и лучеиспусканием.

Коэффициент теплопроводности - λ, Вт/(м·К)Теплопроводность вещества измеряют количеством теплоты, проходящим в 1 с через 1 кв.м площади толщиной 1 м при разности температур 1 К (1 ºС).Теплопроводность характеризует процесс кондуктивного теплопереноса вследствие движения частиц твердого тела.Чем ниже теплопроводность, тем лучше теплоизоляционный материал. Уравнение, описывающее механизм теплопроводности, выглядит следующим образом: Q = A × ΔT/R,где Q — количество передаваемой тепловой энергии, А — площадь сечения теплопроводящего тела, ΔT — разность температур между двумя точками, а R — тепловое сопротивление материала, характеризующее, насколько он тормозит теплопередачу. В вышеприведенном примере с кочергой, одним концом опущенной в камин, ΔT равняется разнице между температурой пламени на одном конце и комнатной температурой воздуха на другом, А — площади сечения железного прута, из которого сделана кочерга, а R определяется свойствами металла.

Однородная цилиндрическая стенка.

Рассмотрим однородный однослойный цилиндр длиной l, внутренним диаметром d1и внешним диаметром d2

Т емпературы поверхностей стенки –tст1 и tст2.Уравнение теплопроводности по закону Фурье в цилиндрических координатах: Q = - λ∙2∙π∙r ·l· ∂t / ∂r (9.24)илиQ = 2·π·λ·l·Δt/ln(d2/d1), где: Δt = tст1 – tст2 – температурный напор;λ – κоэффициент теплопроводности стенки.Для цилиндрических поверхностей вводят понятия тепловой поток единицы длины цилиндрической поверхности (линейная плотность теплового потока), для которой расчетные формулы будут:ql = Q/l =2·π·λ·Δt /ln(d2/d1), [Вт/м]. Температура тела внутри стенки с координатойdх:tx = tст1 – (tст1 – tст2) ·ln(dx/d1) / ln(d2/d1). Однородная плоская стенка.

Температуры поверхностей стенки –tст1 и tст2.

Плотность теплового потока: q = λ/δ∙(tст1 – tст2) = λ/δ∙Δt,

Если R =δ/λ -термическое сопротивление теплопроводности стенки [(м2∙К)/Вт], то плотность теплового потока:q = (tст1 – tст2)/R .

Общее количество теплоты, которое передается через поверхность F за время τ определяется: Q = q∙F∙τ = (tст1 – tст2)/R·F∙τ .

Температура тела в точке с координатой х находится по формуле:tx = tст1 – (tст1 – tст2)∙x/ δ .теплопроводность через шаровую стенку

Пусть имеется полый шар– внутренний диаметр d1, внешний диаметрd2, температура внутренней поверхности стенки –tст1, температуранаружнойповерхности стенки –tст2, коэффициент теплопроводности стенки -λ .Уравнение теплопроводности по закону Фурье в сферических координатах: Q = - λ·4·π·r2· ∂t / ∂r (9.35)илиQ =4·π·λ·Δt/(1/r2 - 1/r1) =2·π·λ·Δt/(1/d1 - 1/d2) = 2·π·λ·d1·d2·Δt /(d2 - d1) = π·λ·d1·d2·Δt / δ (9.36)где: Δt = tст1 – tст2 – температурный напор,δ –толщина стенки.