а) Перенос тепла конвекцией
Конвективный перенос тепла между поверхностью S твёрдого тела и окружающей средой подчиняется закону Ньютона-Рихмана:
Pic=aic(ti-tc)Si , (4.1)
где Pic – тепловой поток от поверхности твёрдого тела к среде; Si – площадь поверхности теплообмена тела; aic – коэффициент теплообмена между поверхностью тела и средой; ti и tc – температуры
поверхности тела и среды. Находим структуру теплового коэффициента
. Если поверхностью тела и окружающей средой отсутствуют источники или стоки энергии, то P(l)=const и
Если конвективный теплообмен происходит через жидкую и газообразную прослойку, ограниченную поверхностями Si и Sj с температурами ti и tj, то тепловой поток :
где k – коэффициент теплопередачи в прослойке; тогда
Для определения aij и kij нужен справочник.
б) Перенос тепла излучением.
Связь между результирующим тепловым потоком Pij, излучаемым с поверхности тела i, площадью Si, к поверхности другого тела j с площадью Sj имеет вид:
где eпij – приведённая степень черноты тел i и j; jij – коэффициент облучённости i-го тела j-м; С0 – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела
.
Представим (4.4) в виде аналогичном закону конвективного теплообмена:
Pij=aлij(ti—tj)Si , (4.5)
где aлij – лучистый коэффициент теплообмена между i и j. Если поверхность i находится в неограниченной среде, то ti=tсреды. Для определения aлij приравняем правые части (4.4) и (4.5):
aлij = eпijjij f(ti, tj) (4.6)
откуда получаем
Тепловое сопротивление и тепловая проводимость при теплообмене излучением определяются по формулам:
в) Общий тепловой поток.
Часто процесс переноса тепла от изотермической поверхности i к поверхности j происходит одновременно по кондукцией, конвекцией, излучением или попарно. Суммарный тепловой поток Pij равен сумме тепловых потоков, переносимых кондукцией (теплопроводностью) Ртij, конвекцией Pkij и излучением Рлij, т.е.
Pij= Ртij+ Pkij+ Рлij . (4.9)
На основании выше приведённых формул из последнего выражения получаем
На основании (4.10) общее тепловое сопротивление Rij и общее тепловая проводимость sij равны:
Вообще говоря
ti—tj=FijPi и ti—tj=FjiPj (4.12)
В первом случае рассматривается поток Pi, проходящий через изотермическую поверхность Si, а во втором – поток Рj, проходящий через поверхность Sj. Если оба потока одинаковы, т.е. Pi=Pj, то тепловые коэффициенты становятся тепловыми сопротивлениями, для которых
Rij=Rji или sij=sji . (4.13)
1) Расчёт тепловой проводимости стенки.
Нетрудно найти тепловое сопротивление
где d — толщина плоской стенки; SП – площадь стенки, нормальная тепловому потоку. При этом надо учитывать, что для диэлектриков l<1, а для металлов l>>1.
Рис.4.1. Плоская стенка.
2) Лучистый теплообмен.
а) между неограниченными плоскопараллельными пластинами.
Приведённая степень черноты и коэффициент облучения равны
б) тело и оболочка
3) Конвекция различных тел в неограниченном пространстве:
а) тонкие стержни, провода
— коэффициент конвективного теплообмена,
где d – диаметр проводника в метрах.
Таблица 4.1
|
Среда |
Значение А1 при температуре tm, °C |
||||||
|
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
|
|
Воздух Вода |
0,291 9,35 |
0,295 13,1 |
0,300 15,7 |
0,306 17,6 |
0,310 19,0 |
0,315 20,0 |
0,320 — |
б) Если определяющий размер L плоской или цилиндрической поверхности и её температурный напор (t-tc) удовлетворяют неравенству
, то движение жидкости подчиняется закону степени ?, в противном случае имеет место теплообмен по закону степени 1/3.
Таблица 4.2
|
Рассматриваемое тело |
Закон степени 1/4 |
Закон степени 1/3 |
|
Шары, горизонтальные цилиндры с диаметром d |
||
|
Вертикальные пластины, цилиндры с высотой h |
||
|
Горизонтальные пластина, рассеивающая тепловой поток вверх; lmin – минимальный размер пластины |
||
|
Горизонтальная пластина, рассеивающая тепловой поток вниз |
В коэффициенты А2 и А3 вошли все физические параметры среды:
Таблица 4.3
|
Среда |
Значение А2 при температуре tm, °C |
|||||||||
|
10 |
20 |
30 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
140 |
150 |
|
|
Воздух Вода |
1,40 90 |
1,38 105 |
1,36 127 |
1,34 149 |
1,31 178 |
1,29 208 |
1,27 227 |
1,26 — |
1,25 — |
1,245 — |
Таблица 4.4
|
Среда |
Значение А3 при температуре tm, °C |
||||||
|
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
150 |
|
|
Воздух Вода |
1,69 102 |
1,61 198 |
1,53 290 |
1,45 363 |
1,39 425 |
1,33 480 |
1,23 610 |
Выражение для коэффициента теплопередачи k через плоскую и цилиндрическую прослойку, заполненную воздухом примет вид:
Рассмотрим теперь конвективную теплопередачу внутри ограниченного объёма, имеющего форму параллелепипеда, одна грань которого имеет температуру t1, а остальные грани – t2, причём t1>t2. Коэффициент конвективно-кондуктивной теплопередачи через такую прослойку, заполненную воздухом, находим по формуле:
Здесь l1, l2 – размеры нагретой грани; d — толщина прослойки; N – коэффициент, учитывающий ориентацию нагретой грани (вертикально Nв=1,0; горизонтальная Nг=1,3).
Коэффициент А5 зависит от температуры tm=0,5(t1+t2) и для воздуха равен:
Таблица 4.5
|
tm, °C |
0 |
50 |
100 |
200 |
|
A5 |
0,63 |
0,53 |
0,56 |
0,44 |
