Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 46
Текст из файла (страница 46)
теплообмен — сложное явление, которое можно расчленить на ряд простых. теплота может передаваться тремя простейшими принципиально отличными друг от друга способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Этим способам соответствуют молекулярный, коивективный и радиационный способы переноса теплоты, Явление т е п л о п р о в о д н о с т и состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температуры, но механизм переноса теплоты зависит от агрегатного состояния тела.
В жидкостях и твердых телах — диэлектриках — перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества. В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения.
В металлах теплопроводность осуществляется главным образом вследствие движения свободных электронов. Примером теплопроводности может служить распространение теплоты в колесе турбины. Во время работы газотурбинного двигателя лопатки турбины имеют температуру порядка 800'С. Лопатки крепятся к диску турбины и путем теплопроводности передают ему теплоту, полученную от газов.
Поэтому диск, который не соприкасается с горячими газами и даже обычно обдувается холодным воздухом, имеет на наружном диаметре температуру 500... 800'С, а в центре — свыше 100'С. Явление ко н в е кц и и наблюдается лишь в жидкостях н газах. Конвективный перенос — это распространение теплоты, обусловленное перемещением макроскопических элементов среды.
Объемы жидкости или газа, перемещаясь из области с большей температурой в область с меньшей температурой, переносят с собой теплоту. Конвекция обычно сопровождается теплопроводностью. Конвективный перенос может осуществляться в результате свободного или вынужденного движения теплоносителя. Свободное движение возникает тогда, когда частицы жидкости в различных участках системы находятся под воздействием неоднородного поля массовых сил.
Если неизотермическая система находится под действием гравитационных сил, то неоднородность поля обусловлена изменением плотности, которое и вызывает свободное движение. Например, отопительная батарея подогревает соприкасающийся с ней воздух. Вес, а следовательно, и давление столба подогретого воздуха меньше, чем холодного. Под разностью этих давлений холодный воздух будет перемещаться в зону подогрева, вытесняя подогревшийся воздух.
Таким образом теплота вместе с воздухом передается от батареи в другие части помещения. Вынужденное движение в каналах происходит под действием внешних поверхностных сил. Разность давлений, под действием 2$3 которой перемещается теплоноситель, создается с помощью насо. сов, эжекторов и других устройств. Теплообмен и з л у ч е н и е м (или радиационный теплообмен) представляет собой перенос теплоты посредством электромагнит. ного поля.
При этом внутренняя энергия вещества превращается в энергию излучения (энергия фотонов или энергия электромагнитных волн), которая распространяется в пространстве, и попадая на тела, способные ее поглощать, снова превращается во внутреннюю энергию. Например, при полете космического корабля в межпланетном пространстве его поверхность излучает энергию и поглощает излучение Солнца и других космических тел.
От интенсивности этого теплообмена зависит температурное состояние обшивки корабля. Наблюдаемые в природе и технике явления теплообмена включают в себя обычно все элементарные способы переноса теплоты. Иногда интенсивность некоторых способов переноса теплоты невелика и ею можно пренебречь. Рассмотрим некоторые сложные явления теплообмена, часто встречающиеся на практике. Теплообмен между движущейся средой и поверхностью какого- либо тела (твердого, жидкого и газообразного) называется т е плоотдачей (коивекгивным теилообменом).
В технике наиболее часто это явление протекает в форме теплообмена жидкого или газообразного теплоносителя с поверхностью твердого тела. Через поверхность соприкосновения жидкости или газа с твердым телом теплота передается теплопроводностью. Поэтому теплооотдача включает в себя конвекцню и теплопроводностьг Теплоотдача †широ распространенное явление. Теплообмен между горячей стенкой камеры сгорания ракетного двигателя и охлаждающей жидкостью, между турбинной лопаткой и продуктами сгорания — все это примеры теплоотдачи.
Теплообмен между стенкой и окружающей средой может происходить одновременно путем соприкосновения (теплоотдачи) и излучения. Это явление называется р ад и а ц и он но- кон в е ктивным теплооб меном. Оно включает все три элементарных способа переноса теплоты. Явление радиационно-конвективного теплообмеиа наблюдается, например, в камере сгорания ракетного двигателя, где горячие газы — продукты сгорания — передают теплоту поверхности камеры сгорания одновременно путем соприкосновения и излучения. Теплообмен между двумя жидкими или газообразными средами, разделенными твердой стенкой, или через поверхность раздела между ними называется т е и л о п е р е д а ч е й.
Перенос теплоты от теплоносителя к стенке и от стенки к теплоиосителю может иметь характер теплоотдачи или радиационно-конвективного теплообмена. Перенос теплоты через стенку осуществляется теплопроводностью. 244 Явление теплопередачи можно наблюдать в теплообменных ап.
паратах, в двигателях и т. п. ф Е2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Интенсивность процессов теплооомена можно охарактеризовать тепловым потоком нли его плотностью, а температурное состояние тела ила системы тел— таипературным полем. Обозначим через 1;) количество теплоты, передаваемое через площадь г за время т. В СИ единица количества теплоты — джоуль.
(Дж). Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность, оценивается тепловым потоком 4: единица теплового потока — ватт (Вт). Тепловой поток, отнесенный к площади поверхности, называется плотностью' теплового потока или тепловой нагрузкой д; единицей д является ватт на квадратный метр (Вт/ма). Тепловые потоки возникают в телах и между телами только при'наличии разности температур. Под температурным полем понимают совокупность мгновенных значений температур во всех точках изучаемого пространства. Температура различных точек тела 1 определяется координатами х, у, г и временем т. Поэтому в общем случае г'=у(х,у,я, т).
(1.1) Температурное поле, которое изменяется во времени, называется несгационарным или неустановившимся. Такому полю отвечают нестационарный, или неустановившийся, тепловой режим и тепловой поток. Если температура не изменяется во времени, температурное поле называется стационарным или установившимся. В этом случае тепловой режим и тепловой поток будут также стационарными.
Температурное состояние стенок камеры и сопла ракетного двигателя твердого топлива во время его работы является примером нестационарного температурного поля. Стационарное температурное поле можно охарактеризовать зависимостью (1.2) Температура изменяется по направлению одной, двух или трех координат. В соответствии с этим различают одномерные, двумерные и трехмерные поля. Стационарное одномерное температурное поле можно описать уравнением с=у (х).
(1.3) Температурное поле тела можно охарактеризовать с помощью сеРии изотермических поверхностей. Под изотермической поверхностью понимается геометрическое место точек с 246 Рас. 1.2 Поэтому интенсивность изменения температуры вдоль осей координат определится проекциями температурного градиента на эти оси, т. е. производными д1/дх; д1/ду; д!/дг. В процессах теплоотдачи и теплопередачи тепловой поток зависит от разности температур участвующих в теплообмене тел, или температурного напора Л1=!,— 1о. В общем случае температурный напор изменяется по поверхности теплообмена, поэтомУ его средняя величина определяется выражением 246 одинаковой температурой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
