Глава 2. Теплопередача
Способы передачи теплоты
Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.
Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция возможна только в текучей, среде. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.
Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела; при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения.
В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – очень часто происходят совместно.
Конвективный теплообмен – совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью. Он может быть вынужденным и свободным. Вынужденный – если движение рабочего тела вызвано искусственно (вентилятор, компрессор, насос и т.п.). Свободный (естественный) – если движение рабочего тела возникает под влиянием разности плотностей отдельных частей жидкости от нагревания.
Конвективная теплоотдача (теплоотдача) – конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела.
Процессы теплопроводности и конвективного теплообмена могут сопровождаться теплообменом излучением.
Радиационно-кондуктивный теплообмен – теплообмен, обусловленный совместным переносом теплоты излучением и теплопроводностью.
Радиационно-конвективный теплообмен – перенос теплоты излучением, теплопроводностью и конвекцией.Сложный теплообмен – совокупность всех трех видов переноса теплоты.
Теплопередача – процесс передачи теплоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку.
2.2. Количественные характеристики переноса теплоты
Плотность теплового потока – количество теплоты, передаваемой в единицу времени через единичную площадь поверхности. Обозначается – q, . Характеризует интенсивность переноса теплоты.
Тепловой поток – количество теплоты, передаваемой в единицу времени через произвольную площадь поверхности F. Обозначается – Q, .
. (2.1)
2.3. Основной закон теплопроводности
Согласно основному закону теплопроводности – закону Фурье (1822 г.), вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры:
, (2.2)
где λ. — коэффициент теплопроводности вещества, .
Знак минус в уравнении указывает на то, что вектор q направлен противоположно вектору grad t, т. е. в сторону наибольшего уменьшения температуры.
2.4. Коэффициент теплопроводности
Коэффициент теплопроводности λ характеризует способность данного вещества проводить теплоту.
Численно коэффициент теплопроводности λ=q/gradt равен плотности теплового потока при градиенте температуры 1 К/м.
Коэффициент теплопроводности в газах
зависит в основном от скорости движения молекул, которая в свою очередь возрастает с увеличением температуры и уменьшением массы молекул. Соответственно с возрастанием температуры λ возрастает. Наибольшей теплопроводностью обладает легкий газ – водород, гелий. При комнатных условиях коэффициент теплопроводности водорода λ ≈ 0,2 Вт/(м К). У более тяжелых газов теплопроводность меньше – у воздуха λ ≈ 0,025 Вт/(м К), у диоксида углерода λ ≈ 0,02 Вт/(м К). λ для газов лежит в диапазоне от 0,006 до 0,6 Вт/(м К). В реальных газах λ также зависит от давления.Коэффициент теплопроводности в металлах. Теплопроводность обеспечивается главным образом за счет теплового движения электронов («электронного газа»), которые более чем в 3000 раз легче молекул самого легкого газа – водорода. Соответственно и теплопроводность металлов много выше, чем газов. Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладают чистые серебро и медь λ ≈ 400 Вт/(м К). Для углеродистых сталей
Коэффициент теплопроводности у жидкостей (неметаллов), как правило, меньше 1 (0,07-0,7 Вт/(м-К)). Механизм распространения теплоты в жидкостях можно представить как перенос энергии путем нестройных упругих колебаний. С возрастанием температуры λ уменьшается. Вода является одним из лучших жидких проводников теплоты, для нее λ ≈ 0,6 Вт/(м К). У воды в диапазоне температур от 0 до 127 0С теплопроводность повышается, а при дальнейшем повышении температуры уменьшается. При повышении давления λ возрастает.
Коэффициент теплопроводности неметаллических твердых материалов обычно ниже 10 Вт/(м К).
Коэффициент теплопроводности теплоизоляторов λ<0,25 Вт/(м К). Пробка, различные волокнистые наполнители типа ваты.
Значительное влияние на коэффициент теплопроводности могут оказывать температура, давление, а у пористых материалов еще и влажность.
Рис. 2.1. Интервалы значений коэффициента теплопроводности различных веществ
studfiles.net
Тепловые характеристики теплопередачи – Справочник химика 21
Полученные значения тепловых характеристик змеевика сводим н табл. 3.16. Находим коэффициенты теплопередачи для соответствующих участков [c.177] Явления нестационарного теплового режима в теплоизолированном канале представляют интерес для конструктора. Условия нестационарности в пористом цилиндре имеют особое значение ири исследовании теплопередачи, так как методы нестационарного режима часто используются при нахождении основных тепловых характеристик компактных насадочных поверхностей [Л. 5, 6]. Приведены закономерности нестационарного изменения температур как в твердой стенке, так и в жидкости, в том числе и для максимального наклона кривой изменения темиературы. Эти результаты изображены графически на рис. 3-14—3-17, а более точно представлены в табл. 3-2 и 3-3. Многие данные, характеризующие теплопередачу в сетчатых и сферических насадочных иоверхностях, приводимые в гл. 7, были получены на основании решения, соответствующего максимальному наклону (рис. 3-17 и табл. 3-3), и методики для нестационарных условий, разработанной Локе Л. 5]. Результаты решения 18, помещенные в таблицу, получены на основании обработки на вычислительных машинах исходных данных, взятых из нескольких независимых источников [Л. 5, 7, 8].
Перенос тепла в области перехода. Наиболее важным для практики результатом процесса перехода является повышение интенсивности теплопереноса по сравнению со стационарным ламинарным течением. На рис. 11.4.6 в качестве примера показано, как возрастают локальные характеристики теплопередачи при изменении режима течения от ламинарного до полностью турбулентного. Эти данные заимствованы из работы [127], где они получены при исследовании течения воды около вертикальной поверхности, нагреваемой тепловым потоком постоянной плотности. Увеличение локального коэффициента теплопередачи сопровождается соответствующим уменьшением локальной температуры поверхности по сравнению с ее значением при ламинарном режиме Течения. Данные рис. 11.4.6 соответствуют пяти значениям теплового потока видно, что с его увеличением область перехода смещается вперед, а отклонение чисел Нуссельта Ына- от значений для ламинарного пограничного слоя возрастает. Зависимости, характерные для полностью развитого турбулентного течения, устанавливаются далеко вниз по потоку. Результаты измерений хорошо согласуются с корреляционными зависимостями [153].
В работе [139] проведено детальное экспериментальное исследование как структуры течения, так и характеристик теплопередачи при постоянном тепловом потоке от поверхности. Локальные измерения в потоке воды около поверхности с 0 до 30° были выполнены термопарой и клиновидным пленочным термоанемометром. При угле отклонения 0 10° оба типа возмущения усиливаются одинаково. Если 0 не превышает 10°, то развитие возмущений происходит почти так же, как и в вертикальном течении. При 0 > 10° преобладают возмущения в виде продольных вихрей. Периодичность этих вихрей в боковом направлении зависит от угла 0 и не зависит от величины теплового потока. [c.125]
Вместе с этим в предыдущем параграфе отмечалось, что температурный режим при адиабатическом оперировании находится в прямой зависимости от физико-химических и тепловых характеристик процессов. То же относится и к политропическим системам со ступенчатым теплообменом, хотя здесь решающее воздействие начинают оказывать теплотехнические условия, которые в устройствах с непрерывным теплообменом приобретают определяющее значение. Однако и в последних случаях характер температурных кривых при одинаковых условиях теплопередачи продолжает меняться в зависимости от кинетических и тепловых особенностей процессов. [c.110]
Следовательно, коэффициент теплопередачи, являющийся основной тепловой характеристикой газоохладителя, можно рассматривать зависящим только от двух коэффициентов теплоотдачи. [c.278]
Влияние теплопроводности матрицы. Длина пути передачи тепла внутри поверхности теплообмена так мала, что теплопроводность оказывает ничтожное влияние на характеристики теплообменника. По этим же соображениям с точки зрения теплопередачи использование керамических, а не металлических пластин и влияние отложений сажи или кокса на поверхностях вращающегося регенератора оказывают очень небольшое влияние. В реальных условиях масса отложений в некоторых аппаратах может привести к значительному увеличению теплоемкости ротора и таким образом фактически улучшить тепловые характеристики теплообменника. Такие отложения, однако, создают сопротивление потоку воздуха и, следовательно, увеличивают потери давления в потоке, движущемся через аппарат, так что приходится принимать меры для чистки теплообменника и удаления отложений.
Определение коэффициента теплопередачи Кг производилось на модели стального трубчатого аппарата высотой 1400 мм и диаметром 300 мм. Тепловая характеристика снималась как с незащищенных трубок, так и с трубок, защищенных бакелитовыми покрытиями. [c.139]
Для подсистемы Теплопередача в диффузионных процессах разработан математический аппарат, включающий описание на макроуровне тепловых характеристик потоков с учетом эффектов смешения компонентов, а также общее описание про- [c.267]
Для подсистемы Теплопередача в диффузионных процессах разработан математический аппарат, включающий описание на макроуровне тепловых характеристик потоков с учетом эффектов смешения компонентов, а также общее описание процессов теплопередачи от нагревательных устройств. Что касается микроуровня этой подсистемы, то нахождение характеристик теплоотдачи сводится к оценкам состояния поверхностей раздела фаз на базе эмпирических соотношений для коэффициентов теплоотдачи. [c.251]
Рассмотренная методика относится к определению некоторых тепловых характеристик машины, связанных с тепловым балансом. Однако в машине должны быть созданы условия для обеспечения переноса необходимых количеств тепла, которые связаны с закономерностями теплопередачи. После того, как машина в основном спроектирована, необходимо определить, обеспечат ли полученные поверхности теплообмена перенос необходимого количества тепловой энергии. [c.131]
Расчет коэффициента теплоотдачи а и коэффициента теплопередачи к предполагает, что теплообмен происходит через идеальные поверхности и что известны точные значения соответствующих теплофизических характеристик веществ. Однако в действительности качество поверхностей не является идеальным и теплофизические константы точно не известны. В результате этого в тепловых расчетах теплообменника имеется известная неуверенность, которая, однако, не должна привести к тому, чтобы расчет рассматривался как предварительный, или чтобы в основу его были положены большие коэффициенты запаса. [c.166]
Определение кинетических характеристик теплового процесса — средней разности температур и коэффициента теплопередачи — является задачей теплопередачи как науки о процессах распространения тепла из одной части пространства в другую. Тепло может распространяться различными способами теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. [c.120]
www.chem21.info
Теория теплопроводности Википедия
Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.
Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.
Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).
Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.
Закон теплопроводности Фурье[ | ]
В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:
- q→=−ϰgrad(T),{\displaystyle {\vec {q}}=-\varkappa \,\mathrm {grad} (T),}
где q→{\displaystyle {\vec {q}}} — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ{\displaystyle \varkappa } — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T{\displaystyle T} — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T){\displaystyle \mathrm {grad} (T)} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение из
ru-wiki.ru