Г.А. Околович - Учебное пособие - Нагрев и нагревательные устройства (1254309), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Процесс охлажденияпоковок происходит в обратном порядке; вначале снижаетсятемпература периферийных слоев, а затем сердцевины.КОНВЕКЦИЯ - процесс распространения теплоты в результатеперемещения частиц тела. Наблюдается в жидкостях, газах ирасплавленных металлах. Конвективный перенос теплоты происходиттолькопридвижениисредыивсегдасопровождаетсятеплопроводностью.32Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Такой видтеплообмена имеет место в пламенных печах при интенсивномтечении нагретых газов, а также при нагреве заготовок в жидкихсредах и кипящем слое.
При конвективном теплообмене происходитпередача тепла печной среды к поверхности заготовки;распространениетеплавнутрьзаготовкиосуществляетсятеплопроводностью.ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - процесс передачи теплоты в системетел путем электромагнитных колебаний через прозрачную среду.При передаче теплоты излучением часть тепловой энергиинагретого (излучением) тела превращается в лучистую энергию,которая при попадании на другие (облучаемые) тела вновьпревращается в тепловую.Например, в камерных печах электросопротивления раскаленныестены и свод печи излучают энергию, которая попадет на заготовку инагревает ее.Совокупность всех трех видов переноса теплоты называютсложным теплообменом. Сложный теплообмен характерен длянагрева заготовок в пламенных печах (рисунок 19), но в зависимостиот конструкции печи и ее температурного режима будет преобладатьтот или иной вид теплопереноса.В печах с температурой до 6000С основное количество теплоты кповерхности тела передается путем конвекции: в печах с температуройот 10000С и более – излучением.С поверхности тела распространяется в глубину путёмтеплопроводности.Рисунок 19 - Схема теплообмена в топливной печи333.1 Передача тепла теплопроводностьюИмеет место между двумя точками одного тела или между соприкасающимися телами, если они имеют различную температуру.Температура - степень нагретости тела, которая изменяется впространстве и во времени, т.е.
t = f(x,y,z,t).Совокупность всех значений температур в рассматриваемыймомент времени и для всех точек тела называется температурнымполем.Совокупность точек тела, имеющих одинаковую температуру,образует изотермическую поверхность.Если температура различных точек тела с течением времени неизменяется, то это будет стационарная теплопроводность.
Принестационарной теплопроводности температура различных точек телаизменяется во времени.Любая кривая на изотермической поверхности представляетсобой линию постоянных температур (рисунок 20). При переходе содной изотермической поверхности на другую происходит изменениетемпературы. Наибольшая скорость (∆t/∆l) имеет место приперемещении в направлении нормали к изотермической поверхности,т.е. когда выбранное направление ∆l совпадает с нормалью к изотермеn.Рисунок 20 - Изотермы температурного поляТаким образом, для пространственного распределения температуры наиболее существенной является скорость ее изменения внаправлении нормали к изотермической поверхности – напряженность температурного поля.
Поэтому в теории теплообменаважную роль играет параметр, называемый температурным34градиентом, который является пределом отношения изменениятемпературы ∆t к расстоянию между изотермами по нормали, когда∆n стремится к нулю:grad t = lim (∆t/∆n) = t/n (град/м), ∆n→0 (3.1)Температурный градиент-изменение температуры в направлении нормали к изотермической поверхности.Тепловая энергия распространяется в сторону областей сменьшей температурой, а поток энергии от более нагретого тела кменее нагретому называется тепловым потоком (Q, Дж). Тепловойпоток, отнесенный к единице поверхности и времени называетсяудельным тепловым потоком.q = λ(t1 - t2)/S) (Вт/м2).(3.2)Согласно закону Фурье при не стационарном состоянииколичество тепла, переданного теплопроводностью с однойповерхности стенки на другую, пропорционально разности температурповерхности, времени и обратно пропорционально расстоянию междуповерхностями.Q = (λ/S)*∆t*F*t,(3.3)0где λ- коэффициент теплопроводности Вт/м C;S - толщина стенки, м;∆t - разность температур на поверхностях стенки, 0C;F-площадь стенки, м2.t - время, с.Таким образом, тепловой поток зависит не от абсолютногозначения температур, а от их разности ∆t =( t1 - t2), называемойтепловым напором.Размерность теплопроводности λ может быть установлена изуравнения, если принять все остальные величины равнымиQ = 1 Вт, S = 1 м, F = 1 м2 и ∆t = 10 C.тогдаλ = (Q*S)/(F*Мt) = Вт/(м 0C).(3.4)То есть коэффициент теплопроводности определяет токоличество теплоты (кДж), которое передается при установившемсятепловом потоке через 1м2 площади стенки толщиной 1м и разноститемператур 10C за 1с.
Теплопроводность является физическойхарактеристикой и определяет способность материала проводитьтеплоту.35При расчете печей коэффициент теплопроводности определяетсяпо средней температуре между двумя точками поверхности тела(таблица 4).Таблица 4 - Зависимость λ от температуры и состава стали Вт/(м,0С)СтальТемпература, `CПлотностьг/см304008001200Сталь 20524326307,86У8503824307,8530ХНЗА 343626307,85Х18Н9Т 162025307,92Аl202319 6000C 4292,56Сu392367 6000C 3578,8Удельный тепловой поток для многослойной стенки (рисунок21).Рассмотрим передачу тепла от первой стенки к четвертой.Запишем значения тепловых потоков для каждой стенки:q1 = λ1(t1 - t2)/S1; q2 = l2(t2 - t3)/S2;q3 = λ3(t3 - t4)/S3.(3.5)Так как состояние стационарное, то тепловой поток не меняется иравен в каждом слое:q1 = q2 = q3 = qРисунок 21 - Схема передачи теплопроводности через трехслойнуюстенку36Преобразуем указанные уравнения:t1 - t2 = q*(S1/λ1); t2 - t3 = q*(S2/λ2); t3 - t4 = q*(S3/λ3);и сложим их:q*(S1/λ1 + S2/λ2 + S3/λ3) = t1 - t4,ОтношениеS/λпредставляетсопротивление стенки - Rλ(м2.°С/Вт)тогдасобой(3.6)термическоеq = (t1 - t4)/(Σ S/λ) = (t1 - t4)/Rλ(3.7)Учитывая это выражение, получим уравнение для определениятеплового потока, проходящего через многослойную стенку в Вт.Q = (t1 - tn+1)/(Rλ)* F*τ (Вт).(3.8)Промежуточные значения температур в слое определяют изприведенных выше уравнений:t2 = t1 - q*(S1/λ1);(3.9)t3 = t2 - q*(S1/λ1)(3.10)При нестационарном состоянии температурное поле изменяетсясо временем (пример: нагрев заготовок).Решением дифференциального уравнения теплопроводностиполучена относительная температура в данный момент времениQ = (Тп - Ткон.)/(Тп - Тнач.) = f (λt/S2; αS/λ ; х/S), (3.11)где α- суммарный коэффициент теплопередачи; α= λ/(с*ρ);λ- коэффициент температуропроводности, (м2/c)=λ/cγ;ρ- плотность тела;t – время, с.S - половина толщины тела, м.с - коэффициент теплоемкости, Дж/кг0Сх - расстояние от поверхности до рассматриваемой точки, м.Плохим проводником тепла является вещества у которых а < 0,01,где (α*S)/λ = Bi - критерий БиО.Этот коэффициент определяет степень массивности тела:если Bi<0,25 , то тело теплотехнически тонкое,если Bi>0,25 , то тело теплотехнически толстое (массивное).В зависимости от этих критериев производится расчет временинагрева заготовок до требуемой температуры.F0 = ατ/S2 - критерий Фурье, по которому определяется времянагрева заготовок до заданной температуры.Если принять величину х за радиус нагреваемой заготовки, т.е.х = r = S,37то третий компонент уравнения превращаетсяследовательно, относительная температуравединицу,Θ = (Тп - Ткон.)/(Тп - Тнач.) = f (F0;Вi),(3.12)где Тп, Ткон., Тнач.
- соответственно температура печи и температура заготовки конечная и начальная.3.2 Передача тепла конвекциейСущность передачи тепла конвекцией между движущимисяжидкостью или газом и твердым телом состоит в том, что кповерхности твердого тела непрерывно поступают частицы жидкостиили газа, отдают тепло, а затем удаляются, уступая место другимчастицам.Различают конвекцию вынужденную (движение среды создаетсяискусственно, например, в пламенных печах) и свободную (движениесреды возникает в связи с ее нагревом и изменением плотности)(например, при охлаждении заготовок на воздухе).Движение газа или жидкости может быть ламинарным илитурбулентным (рисунок 22).Рисунок 22 - Эпюры скоростей при движении газов в каналах круглогосечения: а) ламинарное; б) турбулентноеПри ламинарном течении все частицы движутся параллельностенкам канала (не смешиваясь механически и огибая всепрепятствия), а их скорость изменяется по параболическому закону,закону, принимая минимальные значения на поверхности канала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
