Что влияет на теплообмен

Факторы, влияющие на интенсивность теплоотдачи

На интенсивность теплоотдачи (при данном температурном напоре) влияют:

— природа возникновения движения;

— скорость и степень турбулентности набегающего потока;

— режим течения в пограничном слое;

— температура и физические свойства теплоносителя;

— форма, размеры и шероховатость поверхности обтекаемого тела и т.д.

Природа возникновения движения. Движение теплоносителя может быть вынужденным или свободным. Вынужденное движение возникает за счет внешних для данного процесса причин (движение летательного аппарата относительно воздуха; течение, обусловленное разностью давлений, создаваемой насосом, эжектором или компрессором, и др.). Свободным называется движение, возникающее за счет неоднородного распределения массовых сил в объеме теплоносителя вследствие разности плотностей холодных и горячих его частиц. Свободное движение называют также свободной конвекцией.

Степень турбулентности набегающего потока. Поток может быть турбулентным и до начала обтекания рассматриваемой поверхности, например, из-за наличия атмосферной турбулентности.

Степень турбулентности набегающего потока влияет на характер развития и структуру пограничного слоя (условия перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный и уровень турбулентности в турбулентном пограничном слое).

Физические свойства теплоносителя. Интенсивность конвективного теплообмена зависит от теплопроводности, теплоемкости, вязкости и плотности теплоносителя.

Влияние коэффициента теплопроводности l на интенсивность конвективного теплообмена связано прежде всего с ламинарной частью пограничного слоя, и особенно его пристенными слоями, где скорость потока близка к нулю и теплота передаётся в основном за счёт теплопроводности.

Коэффициент динамической вязкости зависит главным образом от природы теплоносителя и его температуры. У жидкостей значение m с увеличением температуры уменьшается, так как уменьшаются силы межмолекулярного взаимодействия, обусловливающие их вязкость. У газов, вязкость которых обусловлена беспорядочным тепловым движением молекул, коэффициент m с увеличением температуры возрастает. При умеренных давлениях его влиянием на коэффициент динамической вязкости можно пренебречь.

Коэффициент кинематический вязкости n также определяется природой теплоносителя. Вместе с тем при данном значении m его величина изменяется обратно пропорционально изменению плотности, которая у газов увеличивается с ростом давления и снижением температуры.

Влияние плотности теплоносителя r на конвективный теплообмен проявляется через изменения массового расхода теплоносителя и коэффициента кинематической вязкости. Например, уменьшение плотности воздуха с увеличением высоты полёта ведёт к росту кинематической вязкости n и, как следствие, к увеличению толщины пограничного слоя, что наряду со снижением расхода теплоносителя приводит к снижению интенсивности теплоотдачи.

Форма, размеры и шероховатость поверхности обтекаемого тела оказывают влияние на формирование пограничного слоя. Так, удобообтекаемые тела имеют более протяжённые участки пограничного слоя с ламинарным режимом течения, что снижает интенсивность теплообмена. Влияние шероховатости становится заметным только в турбулентном пограничном слое и при условии, что высота бугорков шероховатости превышает толщину вязкого подслоя.

ФОРМУЛА НЬЮТОНА

И. Ньютон установил, что плотность теплового потока между теплоносителем и омываемой им стенкой подчиняется соотношению

,

Поскольку интенсивность теплоотдачи неодинакова по всей поверхности обтекаемого тела, в практических расчётах различают местный a_х (на расстоянии х от начала обтекаемой поверхности) и средний a_ср (по всей обтекаемой поверхности) коэффициенты теплоотдачи. Согласно формуле Ньютона местный коэффициент теплоотдачи на элементе площади dF равен ,

Формула Ньютона не учитывает в явном виде всех факторов, влияющих на интенсивность процесса. Это влияние учитывает коэффициент теплоотдачи a, который зависит от тех же факторов, что и интенсивность конвективного теплообмена, т.е. от характера движения теплоносителя, его физических свойств, размера l и формы поверхности обтекаемого тела и т.д.: a = f (с, l, m, r, c_p, l…).

Источник

Нарушение терморегуляции

Нарушение терморегуляции — это отклонение показателей температуры тела от нормальных значений, которое обычно сопровождается общим недомоганием, ломотой в теле, головными болями. Симптом вызывают различные причины: внешние температурные факторы, инфекционные процессы, системные воспалительные болезни, патология эндокринных органов, злокачественные опухоли. Для выявления этиологического фактора, вызвавшего терморегуляторные нарушения, назначают клинические и серологические исследования крови, бактериологический метод, инструментальную диагностику. До установления причины расстройства жаропонижающие средства применяют с осторожностью.

Общая характеристика

Температура может повышаться постепенно или резко, в течение нескольких часов. Зачастую сначала возникают продромальные явления в виде ломоты в суставах и мышцах, головной боли, затем развивается сильный озноб, человека трясет. Кожа холодная на ощупь и очень бледная. Отмечается характерный блеск в глазах. При переходе во вторую фазу и развитии стойкой гипертермии озноб сменяется чувством жара, кожные покровы приобретают ярко-розовую окраску. Пациент сбрасывает с себя одеяла, появляется сильная жажда. На щеках — интенсивный румянец, губы сухие и потрескавшиеся.

Повышенная температура сохраняется от нескольких дней до нескольких месяцев в зависимости от причины нарушения терморегуляции. При снижении лихорадки появляется гипергидроз, стихают головные и мышечные боли. При быстром падении цифр наблюдается бледность кожи, резкая слабость вплоть до коллапса. У пациентов с аномально низкой температурой развивается вялость, акроцианоз, мышечная дрожь. По мере прогрессирования состояния появляется сонливость, проблемы с памятью и концентрацией. Любые нарушения терморегуляции являются достаточным поводом для обращения к врачу.

Механизм развития

В норме система терморегуляции, центральное звено которой расположено в гипоталамусе, поддерживает постоянный тепловой баланс, не зависящий от температурного режима окружающей среды. Высокая температура обусловлена повышением процессов теплопродукции — усилением распада жиров и углеводов с выделением энергии, сократительным мышечным термогенезом. Ситуация усугубляется в случае присоединения расстройств теплоотдачи: нарушения выделения пота, сужения сосудов кожи. Для гипотермии характерны противоположные изменения: повышение теплоотдачи, снижение теплопродукции.

Лихорадка, как особая реакция организма на инфекционные и неинфекционные причины, имеет уникальный механизм развития. Для ее возникновения необходимо накопление в кровеносном русле пирогенов — особых химических соединений, которые действуют на центр терморегуляции и провоцируют подъем температуры. К таким веществам принадлежат экзогенные факторы — продукты распада микробных клеток и экзотоксины, а также эндогенные цитокины — особые белки сыворотки крови, которые являются провоспалительными медиаторами. При этом сохраняется баланс между продукцией и отдачей тепла.

Классификация

Нарушения в системе терморегуляции бывают эндогенными и экзогенными. Эндогенные обусловлены патологическими процессами, происходящими в организме: изменениями водно-электролитного баланса и объема циркулирующей крови, эндокринными патологиями, воспалением. Причины экзогенных нарушений — влияние температурных показателей окружающей среды, несоответствие одежды погоде, воздействие химических и радиационных факторов, продуктов жизнедеятельности бактерий. Широко используется классификация по патогенетическому механизму и клиническим проявлениям:

По абсолютным показателям нарушения терморегуляции классифицируют на субфебрильную температуру тела — 37-38° С, фебрильную — 38-39° С, пиретическую (высокую) — до 41° С и гиперпиретическую — свыше 41° С. Гипотермия имеет 3 степени: легкая (32-35° С), умеренная (28-32° С) и тяжелая — ниже 28° С. При длительности симптоматики до 2 дней говорят о кратковременной лихорадке, от 2 дней до 2 недель — острой лихорадке, до 6 недель — подострой, в случае подъема температуры более 6 недель диагностируют хронические нарушения терморегуляции.

По колебаниям температурных показателей в течение суток выделяют несколько типов температурной кривой: постоянную, послабляющую, гектическую и др. В отдельную категорию нарушений терморегуляции относят озноб, который возникает как при гипотермии, так и в начальной стадии лихорадки. Причина появления этого симптома — спазм поверхностных кровеносных сосудов и усиленные некоординированные сокращения мелких мышечных групп (дрожь). Помимо вышеназванных факторов, проявление могут вызывать колебания женских половых гормонов, сердечно-сосудистые нарушения.

Источник

Что влияет на теплообмен

Существуют следующие пути отдачи тепла организмом в окружающую среду: излучение, теплопроведение, конвекция и испарение.

Излучение — это способ отдачи тепла в окружающую среду поверхностью тела человека в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона (а = 5—20 мкм). Количество тепла, рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением, пропорционально площади поверхности излучения и разности средних значений температур кожи и окружающей среды. Площадь поверхности излучения — это суммарная площадь поверхности тех частей тела, которые соприкасаются с воздухом. При температуре окружающей среды 20 °С и относительной влажности воздуха 40—60 % организм взрослого человека рассеивает путем излучения около 40—50 % всего отдаваемого тепла. Теплоотдача путем излучения возрастает при понижении температуры окружающей среды и уменьшается при ее повышении. В условиях постоянной температуры окружающей среды излучение с поверхности тела возрастает при повышении температуры кожи и уменьшается при ее понижении. Если средние температуры поверхности кожи и окружающей среды выравниваются (разность температур становится равной нулю), отдача тепла излучением становится невозможной. Снизить теплоотдачу организма излучением можно за счет уменьшения площади поверхности излучения («сворачивания тела в клубок»). Если температура окружающей среды превышает среднюю температуру кожи, тело человека, поглощая инфракрасные лучи, излучаемые окружающими предметами, согревается.

Рис. 13.4. Виды теплоотдачи. Пути отдачи тепла организмом во внешнюю среду можно условно подразделить на «влажную» теплоотдачу, связанную с испарением пота и влаги с кожи и слизистых оболочек, и на «сухую» теплоотдачу, которая не связана с потерей жидкости.

Теплопроведение — способ отдачи тепла, имеющий место при контакте, соприкосновении тела человека с другими физическими телами. Количество тепла, отдаваемого организмом в окружающую среду этим способом, пропорционально разнице средних температур контактирующих тел, площади контактирующих поверхностей, времени теплового контакта и теплопроводности контактирующего тела. Сухой воздух, жировая ткань характеризуются низкой теплопроводностью и являются теплоизоляторами. Использование одежды из тканей, содержащих большое число маленьких неподвижных «пузырьков» воздуха между волокнами (например, шерстяные ткани), дает возможность организму человека уменьшить рассеяние тепла путем теплопроводности. Влажный, насыщенный водяными парами воздух, вода характеризуются высокой теплопроводностью. Поэтому пребывание человека в среде с высокой влажностью при низкой температуре сопровождается усилением теплопотерь организма. Влажная одежда также теряет свои теплоизолирующие свойства.

Конвекция — способ теплоотдачи организма, осуществляемый путем переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды). Для рассеяния тепла конвекцией требуется обтекание поверхности тела потоком воздуха с более низкой температурой, чем температура кожи. При этом контактирующий с кожей слой воздуха нагревается, снижает свою плотность, поднимается и замещается более холодным и более плотным воздухом. В условиях, когда температура воздуха равна 20 °С, а относительная влажность — 40—60 %, тело взрослого человека рассеивает в окружающую среду путем теплопро-ведения и конвекции около 25—30 % тепла (базисная конвекция). При увеличении скорости движения воздушных потоков (ветер, вентиляция) значительно возрастает и интенсивность теплоотдачи (форсированная конвекция).

Отдача тепла организмом путем теплопроведения, конвекции и излучения, называемых вместе «сухой» теплоотдачей, становится неэффективной при выравнивании средних температур поверхности тела и окружающей среды.

Теплоотдача путем испарения — это способ рассеяния организмом тепла в окружающую среду за счет его затраты на испарение пота или влаги с поверхности кожи и влаги со слизистых оболочек дыхательных путей («влажная» теплоотдача). У человека постоянно осуществляется выделение пота потовыми железами кожи («ощутимая», или железистая, потеря воды), увлажняются слизистые оболочки дыхательных путей («неощутимая» потеря воды) (рис. 13.4). При этом «ощутимая» потеря воды организмом оказывает более существенное влияние на общее количество отдаваемого путем испарения тепла, чем «неощутимая».

При температуре внешней среды около 20 «С испарение влаги составляет около 36 г/ч. Поскольку на испарение 1 г воды у человека затрачивается 0,58 ккал тепловой энергии, нетрудно подсчитать, что путем испарения организм взрослого человека отдает в этих условиях в окружающую среду около 20 % всего рассеиваемого тепла. Повышение внешней температуры, выполнение физической работы, длительное пребывание в теплоизолирующей одежде усиливают потоотделение и оно может возрасти до 500— 2000 г/ч. Если внешняя температура превышает среднее значение температуры кожи, то организм не может отдавать во внешнюю среду тепло излучением, конвекцией и теплопроведением. Организм в этих условиях начинает поглощать тепло извне, и единственным способом рассеяния тепла становится усиление испарения влаги с поверхности тела. Такое испарение возможно до тех пор, пока влажность воздуха окружающей среды остается меньше 100 %. При интенсивном потоотделении, высокой влажности и малой скорости движения воздуха, когда капли пота, не успевая испариться, сливаются и стекают с поверхности тела, теплоотдача путем испарения становится менее эффективной.

Источник

Тема 10. Конвективный теплообмен

10.1. Факторы, влияющие на конвективный теплообмен

Конвективным теплообменом называется одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью.

В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.

Основными факторами, влияющими на процесс теплоотдачи являются следующие:

1). Природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки.

Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция).

Движение, создаваемое вследствие разности давлений, которые создаются насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция).

Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным.

Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным.

3). Физические свойства жидкостей и газов.

Большое влияние на конвективный теплообмен оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности ( l ), удельная теплоемкость (с), плотность (ρ), κкоэффициент температуропроводности (а = λ/c_р·ρ), коэффициент динамической вязкости (μ) или кинематической вязкости (ν = μ/ρ), тεмпературный коэффициент объемного расширения (β = 1/Т).

4). Форма (плоская, цилиндрическая), размеры и положение поверхности (горизонтальная, вертикальная).

Источник

Раздел 2. Теория теплообмена

1 Основные понятия и определения

Теплообмен, самопроизвольный процесс переноса теплоты, возникающий под действием пространственной неоднородности поля температуры. Перенос теплоты может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность, перенос теплоты от более нагретых участков к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. Имеет место в твердых телах и неподвижных газах и жидкостях.

Конвекция, перенос теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Имеет место только в текучих средах.

Конвективный перенос теплоты происходит тем интенсивнее, чем больше скорости движения жидкости или газа, так как в этом случае за единицу времени перемещается большее количество частиц тела.

Перенос теплоты конвекцией всегда сопровождается теплопроводностью, так как при этом осуществляется и непосредственный контакт частиц с различной температурой. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называют конвективным теплообменом;он может быть вынужденным и свободным. Если движение рабочего тела вызвано искусственно (вентилятором, компрессором, мешалкой и др.), то такой конвектив­ный теплообмен называют вынужденным. Если же движение рабочего тела возникает под влиянием разности плотностей отдельных частей жидкости в результате нагревания, то такой теплообмен называют свободным или естественным, конвективным теплообменом.

Излучение, процесс передачи теплоты между двумя телами, разделенными полностью или частично пропускающей излучение средой, происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение электромагнитных волн в про­странстве, поглощение энергии излучения другим телом. При сравни­тельно невысоких температурах перенос энергии осуществляется в ос­новном инфракрасными лучами.

Сложный теплообмен, совокупность всех трех видов переноса теплоты: теплопроводность, конвекция, излучение. Изучение закономерностей сложного теплообме­на представляет собой довольно трудную задачу. Поэтому изучают порознь каждый из трех видов теплообмена, после чего становится возможным вести расчеты, относящиеся к сложному теплообмену.

Теплопроводность

Теплопроводность (кондукция) – процесс распространения теплоты при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

В газах перенос теплоты осуществляется путем диффузии молекул и атомов. В жидкостях и твердых телах — диэлектриках — путем упругих волн. В металлах перенос энергии в основном осуществляется путем диффузии свободных электронов, а роль упругих колебаний кристаллической решетки имеет второстепенное значение.

Аналитическая теория теплопроводности рассматривает вещество как сплошную среду, игнорируя его молекулярное строение. Такой подход правомерен, если размеры объектов исследования значительно больше размеров молекул и расстояния между ними.

Возникновение процесса переноса теплоты обусловлено наличием разности температур в различных точках тела (пространства). Совокупность значений температур во всех точках рассматриваемого пространства в данный момент времени называется температурным полем. Если температура зависит только от пространственных координат x, y, z, то такое поле называется стационарным t = f(x, y, z). Если температура зависит и от времени t, т. е. t = f(x, y, z, t), то температурное поле называется нестационарным. Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля: t = f(x).

.

Размерность градиента температуры К/м.

В основе теории теплопроводности лежит закон (гипотеза) Фурье, в соответствии с которым плотность теплового потока переданного теплопроводностью пропорциональна градиенту температуры:

.

Знак «минус» в правой части уравнения отображает противоположность направлений векторов теплового потока и температурного градиента: теплота передается в сторону понижения температуры (рисунок).

Коэффициент пропорциональности l называется коэффициентом теплопроводности. Его физический смысл следует из выражения:

, Вт/(м×К).

Как видно, коэффициент теплопроводности характеризует способность тел проводить теплоту, и численно равен плотности теплового потока переданного теплопроводностью при градиенте температуры равном единице. Следовательно, коэффициент теплопроводности зависит только от свойств и параметров состояния тела и является его теплофизической характеристикой.

Коэффициент теплопроводности определяется экспериментальным путем и для инженерных расчетов выбирается из справочника.

Величина коэффициента теплопроводности газов лежит в пределах от 0,006 до 0,6 Вт/(м×К). Его значение возрастает с повышением температуры и с уменьшением массы молекул. Для большинства газов теплопроводность слабо зависит от давления, исключение составляют очень маленькие и очень большие давления. Коэффициенты теплопроводности водяного пара и других реальных газов, существенно отличающихся от идеальных, сильно зависят от давления. Для газовых смесей l не может быть определен по закону аддитивности, его определяют опытным путем.

Величина коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит в пределах от 0,07 до 0,7 Вт/(м×К). Опыты показывают, что для большинства жидкостей с повышением температуры коэффициент теплопроводности уменьшается, исключение составляют вода и глицерин. Причем для воды, в зависимости от параметров состояния, теплопроводность может, как увеличиваться, так и уменьшаться. При повышении давления l жидкостей возрастает.

В чистых металлах теплопроводность высокая, например, для серебра l = 450 Вт/(м×К). С повышением температуры коэффициент теплопроводности металлов уменьшается. При наличии в металлах примесей l резко убывает (это объясняется увеличением структурных неоднородностей, которые приводят к рассеиванию электронов), например, для чистой меди l = 396 Вт/(м×К), а для меди со следами мышьяка l = 142 Вт/(м×К). Для сплавов при повышении температуры l увеличивается.

В диэлектриках с повышением температуры коэффициент теплопроводности обычно увеличивается. Он зависит также от структуры материала, его пористости и влажности. Многие строительные и теплоизоляционные материалы имеют пористое строение (кирпич, бетон, асбест и др.), поэтому для них коэффициент теплопроводности является условной величиной, учитывающей теплопроводность твердой структуры и среды, заполняющей поры. Такой коэффициент теплопроводности называется эффективным. Коэффициенты теплопроводности этих материалов имеют значения от 0,023 до 2,9 Вт/(м×К). Материалы с l 2 /с, характеризует теплоинерцион­ные свойства вещества;

C×r – объемная теплоемкость тела, является мерой тепловой инерции тела;

– оператор Лапласа, характеризует изменение температуры в пространстве;

q_v – объемная плотность внутренних источников теплоты.

Для стационарного одномерного температурного поля без внутренних тепловыделений дифференциальное уравнение примет вид:

.

Краевые условия. Поскольку дифференциальное уравнение теплопроводности относится к бесконечно малому элементу температурного поля, оно само по себе не отражает развитие процесса теплопроводности во всем рассматриваемом пространстве за весь период времени. Для получения полной картины процесса нужно зафиксировать условия однозначности в виде геометрических условий (форма и размеры тела), физических условий (значения коэффициентов тепло- и температуропроводности), а также задать краевые условия.

В краевые условия входят временные условия (начальное распределение температуры в теле) и граничные условия, определяющие условия теплообмена на границах тела.

Граничные условия бывают:

1) граничные условия первого рода, когда задаются распределением температур на поверхности тела в зависимости от координат и времени;

2) граничные условия второго рода, когда задаются распределением плотности теплового потока на поверхности тела в зависимости от координат и времени;

3) граничные условия третьего рода, когда задаются температурой среды, омывающей поверхность тела t_ж, и законом теплообмена между поверхностью и средой. В качестве этого закона используют закон Ньютона-Рихмана

,

где – температурный напор;

a – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м 2 ×К).

Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой и численно равен плотности теплового потока переданного конвекцией при температурном напоре равном единице. Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов, но при решении задач теплопровод­ности твердого тела его принимают в большинстве случаев величиной постоянной.

4) граничные условия четвертого рода соответствуют теплообмену поверхности тела со средой при равенстве их температур или теплообмену соприкасающихся твердых тел, когда температуры соприкасающихся поверхностей одинаковы.

Решение дифференциального уравнения теплопроводности при за­данных условиях однозначности позволяет определить температурное поле во всем объеме тела для любого момента времени или найти функцию t = f(x, y, z, τ).

Теплопроводность при стационарном режиме.

Теплопроводность через плоскую однослойную стенку.

Рассмотрим плоскую однослойную стенку с коэффициентом теплопроводности l и толщиной d. Пусть высота и ширина стенки гораздо больше толщины. Температурное поле в этом случае можно считать одномерным. Тогда дифференциальное уравнение теплопроводности при стационарном режиме имеет вид: . После двойного интегрирования получим: . Для определения констант интегрирования воспользуемся граничными условиями первого рода: при x = 0, t = t_c1, следовательно, С₂ = t_c1. При x = d, t = t_c2, следовательно, . Подставляя константы интегрирования, получим уравнение температурного поля:

.

.

Теплопроводность через плоскую многослойную стенку.

Рассмотрим п-слойную плоскую стенку при условии одномерного температурного поля. При стационарном режиме плотность теплового потока прошедшего через каждый слой этой стенки будет одинакова. Тогда для каждого слоя можно записать уравнение теплопроводности:

, , …, .

Решая уравнения относительно разности температур, получим:

, , …, .

После суммирования этих выражений остается , отсюда окончательно получим выражение для плотности теплового потока .

Теплопроводность через цилиндрическую однослойную стенку.

Рассмотрим однослойную цилиндрическую стенку длина которой l значительно больше внешнего диаметра (l >> 2r₂). В этом случае тепловой поток можно считать одномерным. Выделим кольцевой слой радиусом r и толщиной dr. Для этого слоя в соответствии с законом Фурье можно записать

.

Разделим переменные и проинтегрируем. После интегрирования получим .

Для определения постоянной интегрирования С используем граничные условия первого рода: при r = r₁, t = t_c1, тогда ; при r = r₂, t = t_c2, тогда . Разность этих выражений дает , или, решая относительно теплового потока окончательно получим .

Теплопроводность через многослойную цилиндрическую стенку.

При стационарной теплопроводности через многослойную цилиндрическую стенку тепловой поток через каждый слой будет одинаков, тогда можно записать для каждого слоя:

, ,…, .

Решая эту систему относительно разности температур, получим:

, ,…, .

После суммирования полученных уравнений можно записать:

, отсюда .

Конвективный теплообмен

Основные понятия.

Конвекция, происходит только в газах и жидкостях и состоит в том, что перенос теплоты осуществляется перемещающимися в пространстве объемами среды. Передача теплоты конвекцией всегда связана с теплопроводностью. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом.

Различают конвекцию вынужденную (движение жидкости создается искусственно) и свободную – движение возникает в связи с ее нагреванием и изменением плотности.

О. Рейнольдс в 1884 г. в своих опытах установил, что при движе­нии жидкости встречаются два вида потока, подчиняющихся различ­ным законам. В потоке первого вида все частицы движутся только по параллельным между собой траекториям, и движение их длительно совпадает с направлением всего потока. Жидкость движется спокойно, без пульсаций, образуя струи, следующие очертаниям канала. Движе­ние такого рода называется ламинарным.

Второй вид потока называется турбулентным, в нем непрерывно происходит перемешивание всех слоев жидкости. Каждая частица по­тока, перемещаясь вдоль канала с некоторой скоростью, совершает различные движения перпендикулярно стенкам канала. В связи с этим поток представляет собой беспорядочную массу хаотически движущихся частиц. Чем больше образуется пульсаций, завихрений, тем больше турбулентность потока. При переходе ламинарного движения в турбулентное сопротивление от трения в канале возрастает.

Характер движения жидкости влияет на интенсивность передачи теплоты. При ламинарном режиме и отсутствии естественной конвек­ции теплоты в перпендикулярном к стенке направлении передается только теплопроводностью. Количество этой теплоты зависит от физи­ческих свойств жидкости, геометрических размеров, формы поверх­ности канала и почти не зависит от скорости. При турбулентном движении жидкости перенос теплоты наряду с теплопроводностью осуществляется перпендикулярным к поверх­ности канала перемещением частиц.

Факторы, влияющие на интенсивность конвективного теплообмена.

Физические свойства жидкостей.

В качестве жидких и газообразных теплоносителей в технике при­меняют различные вещества: воздух, воду, газы, масло, нефть, спирт, ртуть, расплавленные металлы и многие другие. В зависимости от фи­зических свойств этих веществ процессы теплоотдачи протекают, раз­лично.

Большое влияние на теплообмен оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности l,удельная теплоемкость с,плотность r, коэффициент температуропроводности а и коэффициент динамической вязкости m (или коэффициент кинематической вязкости n = m/r). Эти параметры для каждого вещества имеют определенные значения и являются функцией температуры, а некото­рые из них и давления.

Режимы течения и пограничный слой.

Теоретическое рассмотрение задач конвективного теплообмена ос­новывается на использовании теории пограничного слоя, данной Л. Прандтлем.

Рассмотрим процесс продольного омывания какого-либо тела без­граничным потоком жидкости с постоянной скоростью течения w. Вследствие влияния сил трения в непосредственной близости от поверхности тела скорость течения должна очень быстро па­дать до нуля. Тонкий слой жидкости вблизи поверхности тела, в кото­ром происходит изменение скорости жидкости от значения скорости невозмущенного потока вдали от стенки до нуля непосредственно на стенке, называется динамическим пограничным слоем. Тол­щина этого слоя б возрастает вдоль по потоку.

С увеличением скорости потока толщина динамического погранич­ного слоя уменьшается вследствие сдувания его потоком. Напротив, с увеличением вязкости толщина динамического слоя увеличивается.

Течение в динамическом пограничном слое может быть как турбу­лентным, так и ламинарным (см. рисунок).

Необходимо отметить, что в случае турбулентного динамического пограничного слоя непосредственно у стенки имеется очень тонкий слой жидкости, движение в котором имеет ламинарный характер. Этот слой называют вязким или ламинарным подслоем.

При турбулентном течении в тепловом пограничном слое перенос теплоты в направлении к стенке в основном обусловлен турбулентным перемешиванием жидкости. Интенсивность такого переноса теплоты существенно выше интенсивности переноса теплоты теплопроводностью. Однако непосредственно у стенки, в ламинарном подслое, перенос теплоты к стенке осуществляется обычной теплопроводностью.

Изменение физических свойств жидкости в пограничном слое зависит от температуры, в связи с чем интенсивность теплообмена между жидкостью и стенкой оказывается различной в условиях нагревания и охлаждения жидкости. Так, например, для капельных жидкостей интенсивность теплообмена при нагревании будет большей, чем при охлаждении, вследствие уменьшения пограничного слоя. Следовательно, теплоотдача зависит от направления теплового потока.

Очень большое значение для теплообмена имеют форма и размер поверхностей; в зависимости от них может резко меняться характер движения жидкости и толщина пограничного слоя.

Источник