ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ Теплопередача – самопроизвольный необратимый процесс распространения теплоты в пространстве. Основной характеристикой теплопередачи является тепловой поток Q, Вт - поток внутренней энергии, самопроизвольно возникающий в вещественной среде с неоднородным температурным полем Теплопередача осуществляется тремя способами: Теплопроводность Конвекция Тепловое излучение

Температурное поле - это совокупность мгновенных значений температуры во всех точках изучаемого пространства в данный момент времени T=f(x,y,z, ). Точки тела, имеющие в данный момент времени одинаковую температуру, образуют изотермическую поверхность. Пересечение изотермических поверхностей плоскостью дает семейство линий равной температуры, называемых изотермами.

Температурное поле T1

Температурное поле Стационарное температурное поле – температурное поле неизменное во времени: T=f(x,y,z) Второй признак стационарного режима теплопередачи – равенство прихода и расхода тепла рассматриваемого объекта.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ -это процесс распространения энергии только вследствие взаимодействия структурных единиц вещества (молекул, ионов, атомов, свободных электронов). В идеализированном виде теплопроводность может наблюдаться в твердых телах и неподвижных объемах жидкости и газов.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ Коэффициент теплопроводности - величина, численно равная плотности теплового потока, проходящего через изотермическую поверхность при температурном градиенте, равном единице: = q/grad Т,[Вт/(м К)]. Коэффициент теплопроводности определяется уравнением Фурье: q = - grad Т Теплопроводность зависит от агрегатного состояния вещества, его состава, чистоты, температуры, давления и других характеристик.

КОНВЕКЦИЯ -процесс переноса тепловой энергии вследствие перемещения масс вещества в неоднородном поле температур; -конвекция всегда сопровождается теплообменом между веществом и контактирующей с ним средой; -конвекция наблюдается в движущихся квазисплошных средах (газах, жидкостях, плазме и смесях этих веществ с сыпучими материалами).

КОНВЕКЦИЯ В зависимости от природы сил, приводящих среду в движение различают естественную и вынужденную конвекцию. Естественная конвекция происходит в поле сил тяжести. Вынужденное движение среды вызывается различного рода внешними возбудителями (насосами, вентиляторами и т.п.)

КОНВЕКЦИЯ Количественно конвективный теплообмен между твердым телом и средой описывается формулой Q конв = конв (T cт - Т ж )F конв конв – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м 2 H К); T cт, Т ж – температуры стенки и среды; F конв - площадь поверхности теплоотдачи.

КОНВЕКЦИЯ Расчет коэффициента теплоотдачи для различных случаев теплообмена, отличающихся: физическими свойствами среды, формой твердого тела, характером движения среды, ведется по критериальным уравнениям, полученным обобщением экспериментальных данных на основе теории подобия.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ -процесс переноса энергии электромагнитными волнами, создаваемыми вследствие теплового движения в веществе, через прозрачную или частично прозрачную среду в область с более низкой температурой; -свойственно всякому телу, имеющему температуру, отличную от абсолютного нуля; -диапазон длин волн 0,4 - 0,8 мкм соответствует видимым (световым) лучам, длины волн 0,8 – 40 мкм имеет инфракрасное излучение; -энергия электромагнитных волн, встречая на своем пути твердые тела, частично поглощается ими, превращаясь в теплоту, частично отражается от них и частично пропускается сквозь тело, если оно прозрачное.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Основной закон теплового излучения – закон Стефана- Больцмана – определяет плотность потока лучистой энергии q, Вт/м 2, испускаемой во всем диапазоне длин волн от 0 до h абсолютно черным телом, т.е. таким телом, для которого отражательная и пропускательная способность равна нулю. Т – абсолютная температура тела, К ; Сs=5,7 Вт/(м 2 H К 4 ) – постоянная Стефана-Больцмана.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Для любого нечерного тела излучательная способность меньше. Закон Стефана-Больцмана для «серого» тела имеет вид: где - коэффициент теплового излучения «серого» тела.

дифференциальное уравнение теплопроводности где с – удельная теплоемкость, Дж/(кг H К) - плотность вещества, кг/м 3 ; q v – плотность внутренних источников тепла, Вт/м 3. В декартовой системе координат это уравнение имеет вид

БЕСКОНЕЧНАЯ ПЛОСКАЯ СТЕНКА В СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ БЕЗ ВНУТРЕННИХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА Уравнение теплопроводности: Если заданы температуры поверхностей: температурное поле: плотность теплового потока R с – термическое сопротивление стенки

БЕСКОНЕЧНАЯ ПЛОСКАЯ СТЕНКА В СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ БЕЗ ВНУТРЕННИХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА При известных температурах окружающих сред и коэффициентах теплоотдачи где R =R п1 +R c +R п2 R п1 = 1/ 1 и R п2 = 1/ 2 - термические сопротивления теплоотдачи от внешних поверхностей стенки к средам. Температуры поверхностей:

МНОГОСЛОЙНАЯ СТЕНКА :

ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ ЧЕРЕЗ ФУТЕРОВКУ ЭЛЕКТРОПЕЧИ вн, нар – коэффициенты теплоотдачи, выражающие одновременно передачу теплоты конвекцией и излучением.

ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ СТЕНКА В СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ БЕЗ ВНУТРЕННИХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА Уравнение теплопроводности Температурное поле При известных температурах поверхностей линейная плотность теплового потока (поток с 1м цилиндра) R сц - термическое сопротивление цилиндрической стенки

ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ СТЕНКА В СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ БЕЗ ВНУТРЕННИХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА При известных температурах омывающих сред и коэффициентах теплоотдачи где R =R пц1 +R cц +R пц2 R пw1 = 1/( 1 H d 1 ) и R пw2 = 1/( 2 H d 2 ) - термические сопротивления теплоотдачи от внешних поверхностей стенки к средам Температуры поверхностей стенки