Глава 1 основы теории теплообмена

1.1Общие сведения

Теория теплообмена – это наука о процессах передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому телу. Целый ряд важных вопросов техники, конструирования машин, проектирования и строительства зданий и сооружений осуществляется на основе теории теплообмена.

Осн. Зак.

1.2Виды передачи тепла.

Теплообмен представляет собой совокупность сложных процессов. Для облегчения изучения процесса теплообмена его разделяют на ряд простых процессов. Различают три принципиально отличных друг от друга процесса теплообмена – теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность происходит при непосредственном ударении частиц вещества (молекул,), сопровождающемся обменом тепловой энергии движения. Такой процесс теплообмена может происходить в любых телах. Перенос тепла в этом случае зависит от агрегатного состояния тела.

Теплопроводность жидких и газообразных тел незначительна. Твердые тела обладают большей теплопроводностью. Тела с малой теплопроводностью называют теплоизоляционными. Теплоизоляционными материалами считаются материалы, коэффициент теплопроводности которых меньше 0.2 вт/м К Процесс теплообмена конвекцией происходит только в жидкостях и газах. Конвекция представляет собой процесс переноса тепла путем перемещения и перемешивания частиц жидкости или газа.

Перемещение частиц жидкости или газа обусловленное разностью плотностей, то такое перемещение называют естественной конвекцией. При естественной конвекции нагретые объемы теплоносителя поднимаются, охладившиеся опускаются.

Если жидкость или газ перемещается с помощью технического устройства (насоса, вентилятора, эжектора и т. д), то такой процесс теплообмена называют вынужденной конвекцией. Теплообмен при вынужденной конвекцией происходит значительно интенсивнее, чем при естественной конвекции.

Процесс теплообмена тепловым излучением состоит в переносе тепла от одного тела к другому электромагнитными волнами. Лучистая энергия возникает в телах за счет других видов энергии, главным образом тепловой. Электромагнитные волны распространяются от поверхности тела во все стороны со скоростью света. Встречая на своем пути другие тела, лучистая энергия может ими частично поглощаться, превращаясь снова в теплоту.

При изучении отдельных видов теплообмена используют следующие общие аксиомы и определения.

1. Передача тепла от одного тела к другому, а также между частицами данного тела происходит только при наличии разности температур.

2.Тепловой поток всегда направлен в сторону более низкой температуры.

3. Количество теплоты, переносимой в единицу времени, называется тепловым потоком .

Отношение к единице площади F м называется удельным тепловым потоком:

(1.).

4. Распределение температуры в телах обычно определяется с помощью температурного поля, т.е. совокупности значений температур во всех точках изучаемого пространства в заданный момент времени. Температура различных точек тела t может быть определена координатами x, y, z и временем , т.е.

t=f(x, y, z , ) (1.2).

Рис. 1

5.Температурное поле, которое изменяется с течением времени, называется нестационарным (неустановившимся). При этом тепловой режим и тепловой поток будут тоже нестационарными.

6. Если температура в любой точке тела с течением времени не изменяется, то температурное поле называется стационарным (установившимся). В этом случае тепловой режим и тепловой поток будут также стационарными.

Стационарное температурное поле можно охарактеризовать зависимостью

t=f(x, y, z) (1.2).

Простейшим температурным полем является одномерное стационарное поле, которое характеризуется изменением температуры в направлении одной координатной оси. Такое температурное поле можно выразить уравнением

t=f(x) (1.3).

7. Изотермической поверхностью принимается геометрическое место точек с одинаковой температурой. Температурное поле в рассматриваемом теле или системе тел характеризуется изотермической поверхностью. Такие поверхности могут быть замкнуты. Изотермические поверхности между собой никогда не пересекаются.

8. Если изотермические поверхности пересечь плоскостью, то на плоскости сечения получим изотермические линии, называемые изотермами. Взаимное расположение изотерм (Рис.1) наглядно характеризует распределение температур в теле и интенсивность изменения температуры в различных направлениях.

9. Наибольшее изменение температуры на единицу длины получается в направлении нормали к изотермическим поверхностям. Производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным градиентом и обозначается grad, его размерность- ⁰С/м.