Справочные материалы Формы распространения теплоты

Формы распространения теплоты

В природе существуют три способа передачи теплоты - излучение, конвекция, теплопроводность и два способа теплообмена между более нагретыми и менее нагретыми телами - лучистый и кон­вективный.

Излучение - теплообмен между те­лами, находящимися на расстоянии друг от друга, посредством лу­чистой энергии, носителем которой являются электромагнитные волны (например, инфракрасное отопление).

Интенсивность лучистого теплообмена между двумя телами за­висит от их формы, взаимного расположения, температуры и степени черноты. Наибольшей излучающей способностью при данной темпе­ратуре обладают тела, называемые абсолютно Черными. Лучистый поток от тел с меньшей излучательной способностью, чем у абсолютно черного тела (серые тела), в соответствии с законом Стефана—Больцмана,   определяется  формулой

Фл = С0εS (T/100)4,

где С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 4,9 ккал/(м2·ч·ºС)4; ε - степень черноты серого тела (для шероховатой стали ε = 0,944 - 0,97); S — площадь излучающей поверхности, м2.

Конвекция - передача теплоты перемещением и перемешиванием частиц между собой. Различают свободную (естественную) и вынужден­ную (искусственную) конвекцию. Примером естественной конвекции является нагрев воздуха в квартире от радиаторов отопления, при котором часть теплоты передается излучением, а часть конвекцией воз­духу, который перемещается вблизи радиатора. Нагретый воздух поднимается в верхнюю зону помещения, а более тяжелый холодный воздух постоянно перемещается к нижней части помещения.

Теплопроводность - передача теплоты внутри тела от более нагре­тых частиц к менее нагретым. Теплопроводность материала зависит от его химического состава, пористости, влажности, температуры и давления (для жидкостей и газов). Коэффициент теплопроводности λ - количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единицу поверхности на единицу длины (пути) теплового потока при разности температуры 1 °С.

Высокой теплопроводностью характеризуются металлы, особенно серебро, медь, алюминий. Коэффициент теплопроводности стали и чугуна составляет 40-50 ккал/(м·ч·°С). Плохо проводят теплоту изо­ляционные материалы, некоторые жидкости (масла, жиры), воздух, газы. Очень низкой теплопроводностью обладает накипь, которая откладывается на внутренних поверхностях котлов, и сажа, которая образуется при неполном сгорании топлива и накапливается на наруж­ных сторонах поверхностей нагрева.

Количество теплоты, передаваемое через разделительную стенку, определяется формулой

Q = KH Δt,

где K - коэффициент теплопередачи, ккал/(м2·ч·°С); H - площадь поверхности теплообмена, м2; Δt - средний температурный напор (разность температур) между греющей и нагреваемой средой, °С.

Коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

K = 1/(1/α1 + δстст + 1/α2),

где α1 и α2 - коэффициент теплоотдачи от греющей среды к поверх­ности разделительной стенки и от внутренней поверхности стенки к нагреваемой среде, ккал/(м2·ч·°С); δст - толщина стенки, м; λст - коэффициент теплопроводности  стенки,   ккал/(м·ч·°С).

Коэффициенты теплоотдачи α1 и α2 предетавляют собой сумму коэффициентов теплоотдачи конвекцией αк и излучением αл. Они за­висят от режима движения потока, плотности перемещаемой среды, размеров и формы каналов, взаимного направления потоков и дру­гих условий. Примерные значения коэффициентов теплоотдачи, ккал/(м2·ч·°С): от газов к стенке α1 = 20-50; от стенки к водяному пару α2 = 500-3000, к некипящей воде α2 = 5000-15 000, а к кипя­щей воде еще выше.

Слагаемые знаменателя приведенной формулы называются част­ными   термическими   сопротивлениями.

Коэффициент линейного расширения α - величина, показываю­щая, на какую долю первоначальной длины l0 тело удлинится при нагре­вании его на 1 °С. Так, для железа α = 0,000012, для меди α = 0,000017.

Зная первоначальную длину конструкции (трубы) l0 и коэффи­циент линейного расширения или сжатия при охлаждении, можно определить длину l при любой температуре t:

l = l0 (1± αt).