Температурное поле. Градиент температуры. Тепловой поток

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Учебное пособие

Тольятти 2010

УДК

К 64

Теоретические основы теплотехники. Теплопередача: Учебное пособие. –: Изд., 2010. – 118 с.

В учебном пособии изложена теория основных разделов дисциплины. Выделены важнейшие положения, законы, методы теплотехнических расчетов. По каждой теме имеются вопросы и задания для контроля знаний, примеры решения задач. Приложение содержит справочный материал.

Пособие подготовлено на кафедре теоретической и промышленной теплотехники, соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов специальности 100700 «Промышленная теплотехника» и 100500 «Тепловые электрические станции» Института дистанционного образования.

Рецензенты:

Ю.В. Видин – зав. каф. теоретических основ теплотехники Красноярского политехнического университета, профессор, кандидат технических наук;

С.В. Голдаев – старший научный сотрудник научно-исследовательского
института прикладной математики и механики при Томском госуниверситете, кандидат технических наук.

ВВЕДЕНИЕ

Ускорение научно – технического прогресса связано с полным удовлетворением потребностей страны в топливно-энергетических ресурсах. Наряду с увеличением добычи топлива и производства энергии эта задача решается путем осуществления активной энергосберегающей политики во всех отраслях народного хозяйства. Большинство современных производств сопровождаются теплотехнологическими процессами, от правильного ведения которых зависит производительность и качество выпускаемой продукции. В связи с этим, а также проблемами создания безотходной технологии и охраны окружающей среды значительно возросла роль теплотехники как науки, теоретическую базу которой составляют термодинамика и теплопередача.

Теплопередачаизучает законы переноса теплоты. Исследования показывают, что теплопередача является сложным процессом. При изучении этот процесс расчленяют на простые явления. Задачей курса является изучение простых и сложных процессов переноса теплоты в различных средах.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Способы переноса теплоты

Теплота самопроизвольно передается от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой. При отсутствии разности температур теплообмен прекращается и наступает тепловое равновесие.

Различают три способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность – передача теплоты при контакте между телами и частицами тела. Теплопроводностью тепло передается по твердым телам, в жидкостях и газах.

Конвекция – перемещение массы жидкости или газа из среды с одной температурой в среду с другой температурой. Если движение вызвано разностью плотностей нагретых и холодных частиц – это естественная конвекция, если разностью давлений – вынужденная конвекция. Конвекцией теплота передается в жидкостях и газах.

Тепловое излучение – процесс распространения теплоты от излучающего тела с помощью электромагнитных волн. Он обусловлен температурой и оптическими свойствами излучающего тела (твердых тел, трех- и многоатомных газов).

В твердых телах теплота передается только теплопроводностью. Только излучением теплота передается между телами, расположенными в вакууме. Конвекцию невозможно отделить от теплопроводности.

Совместный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Температурное полетела или системы тел – это совокупность мгновенных значений температур во всех точках рассматриваемого пространства. В общем случае уравнение температурного поля имеет вид

где t – температура; x , y, z, - координаты; t - время.

Такое температурное поле называется нестационарным. Если температура с течением времени не изменяется, то температурное поле называется стационарным. Тогда

t = f (x , y, z),

Температура может быть функцией одной, двух и трех координат; соответственно температурное поле будет одно-, двух- и трехмерным. Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля: t = f (x ).

Поверхность, объединяющая точки тела с одинаковой температурой, называется изотермической. Изотермические поверхности не пересекаются, они либо замыкаются на себя, либо заканчиваются на границе тела. Пересечение изотермических поверхностей с плоскостью дает на ней семейство изотерм: t, t - D t,
t + D t (рис. 1.1).

Направление, по которому расстояние между изотермическими поверхностями минимальное, называется нормалью (n) к изотермической поверхности.

Производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным градиентом

.

(1.2)

Температурный градиент – вектор, направленный по нормали к изотерме в сторону увеличения температуры.

Общее количество теплоты, переданное в процессе теплообмена через изотермическую поверхность площадью F в течение времени t,обозначим Q_t , Дж.

Количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность площадью F в единицу времени, называется тепловым потоком Q, Вт.

Тепловой поток, переданный через единицу поверхности, называется плотностью теплового потока

Вектор плотности теплового потока направлен по нормали к изотермической поверхности в сторону уменьшения температуры (рис. 1.1).