ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Теория теплообмена из "Тепловозы Издание 2 " Способы передачи тепла. Преобразование теплоты в механическую работу в двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных установках, охлаждение тяговых электрических машин и аппаратов, подогрев топлива, охлаждение наддувочного воздуха и многие другие процессы на тепловозах сопровождаются теплообменом, т. е. передачей тепловой энергии (теплоты) от одного тела к другому. Природа тел, между которыми проходит теплообмен, может быть различной, в теплообмене могут участвовать твердые, жидкие и газообразные тела. Теплота может передаваться либо непосредственно от тела к телу (например, от твердого тела к твердому, жидкому или газообразному или наоборот), либо более сложными путями (например, от твердого тела к твердому, но не непосредственно, а через промежуточный теплоноситель — жидкость или газ). Передача тепла между жидкими и газообразными телами также может проходить либо непосредственно (при их смешивании или через свободную поверхность жидкости), либо через разделяющую их потоки перегородку (твердую стенку). [c.55] В соответствии со вторым законом термодинамики необходимым условием теплообмена является наличие разности температур между телами. Иными словами, естественным путем тепловая энергия может переходить от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. [c.55] Процессы теплообмена являются сложными физическими явлениями. Из физики известно, что в природе имеют место три различных способа переноса тепла теплопроводность, конвекция, излучение (радиация). [c.55] В тепловых процессах капельных жидкостей, а тем более газов, теплопроводность играет малую роль (теплопроводность жидкостей и газов невелика). [c.55] Конвекция — перенос тепла в процессе перемещения н перемешивания более нагретых и менее нагретых частиц. Такой процесс может иметь место в среде с подвижными частицами, т. е. в капельных жидкостях и газах. Обычно конвекция сопровождается обменом энергией между этими частицами — теплопроводностью. Такой процесс называют конвективным теплообменом. Его интенсивность зависит от состояния, скорости и характера движения жидкости. Перемещение жидкости может быть как естественным, так и вынужденным. Естественное (свободное) перемещение частиц возникает в результате разности плотностей более нагретых и менее нагретых объемов жидкостей в сосуде. Если прозрачный сосуд с капельной жидкостью подогревать снизу, то можно увидеть восходящие струйки жидкости. Они вызваны тем, что в нагретой части объема жидкости (у дна) плотность жидкости меньше плотности ее верхних слоев. [c.55] Из-за разности плотностей нагретых и холодных слоев в соответствии с законами гидростатики возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы снизу перемещаются вверх, перенося с собой свою энергию (теплоту). Такое явление называют естественной конвекцией. Одновременно с конвекцией часть теплоты передается теплопроводностью при непосредственном соприкосновении между частицами жидкости. Следовательно, явление конвекции обусловливает перенос теплоты в объеме жидкости как за счет непосредственного соприкосновения между частицами жидкости (теплопроводности), так перемещения частиц жидкости в объеме при естественном их движении. [c.55] При подводе тепла к жидкости сверху свободного перемещения частиц жидкости в сосуде не будет. В этом случае тепло в объеме жидкости может распространяться лишь теплопроводностью. [c.55] Все тела при любой температуре излучают энергию, которая распространяется в пространстве со скоростью света в виде электромагнитных колебаний, но интенсивность излучения резко возрастает с повышением температуры. [c.56] Как показано на примере конвекции, отдельные способы распространения тепла, так сказать, в чистом виде встречаются редко. Чаще всего теплообмен осуществляется в результате совокупного действия теплопроводности, конвекции и теплового излучения. Сложные процессы переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их твердую стенку называют теплопередачей. [c.56] Процессы теплообмена между телами могут происходить при установившемся (стационарном) и неустановившемся (нестационарном) режимах. Распределение температур в различных точках тела при стационарном режиме остается неизменным с течением времени процесс распространения тепла установился, и тепловое состояние элементов тела уже не меняется. В установившемся тепловом режиме могут находиться двигатели внутреннего сгорания и электрические машины тепловозов после продолжительной работы, если за это время режимы их на- рузки и условия охлаждения не меняются. [c.56] При нестационарных режимах температуры в отдельных точках тела меняются со временем. Так происходит, например, при пуске и прогреве дизеля, при переменных режимах работы. Нестационарные режимы весьма сложны для изучения. Поэтому в дальнейшем рассматриваются стационарные режимы теплообмена, с одной стороны, более доступные для анализа, а с другой — имеющие важное практическое значение для проектирования и эксплуатации тепловозов. [c.56] Теплопроводность в твердом теле. [c.56] Выражение (3.56) представляет собой основной закон теплопроводности и называется законом Фурье. Знак минус в нем означает, что тепловой поток направлен в сторону уменьшения температуры. [c.56] Теплопроводность зависит от свойств материала (структуры, объемного веса) и внешних условий (влажности, давления, температуры). Физически теплопроводность определяет количество тепла (Дж или Вт-с), которое передается в единицу времени (с) через единицу площади поверхности (м ) при перепаде температур в 1 °С на единице длины (м). Наибольшие значения теплопроводности имеют металлы медь [360 Вт/(м-Ю], алюминий (200—230), латунь (100—120), сталь (45—55). [c.56] Теплопроводность через стенку. Количество теплоты Q, проходящее через однослойную стенку (рис. [c.56] Следовательно, тепловой поток д, передаваемый теплопроводностью через стенку, прямо пропорционален температурному напору /1 — 2 и обратно пропорционален термическому сопротивлению Ь/К. Этот закон подобен закону Ома в электротехнике, согласно которому сила тока / равна отношению разности электрических потенциалов И — (/2 к электрическому сопротивлению Н, т. е. 1 — и — (Уг)// - Здесь электрический ток / соответствует тепловому потоку д, разность электрических потенциалов И — 112 — разности температур 1 — 2 и электрическое сопротивление / — тепловому сопротивлению Ь/%. [c.57] Размерность термического сопротивления теплопроводности — м -К/Вт. [c.57] Для многослойной стенки (рис. [c.57] Формула (3.59) имеет ту же структуру, что и формула (3.58), в числителе полученного уравнения — температурный напор,а в знаменателе— общее термическое сопротивление, равное сумме сопротивлений трех слоев. [c.57] Сопоставляя формулу (3.63) с формулой (3.58), видим, что они имеют одинаковую структуру в числителе — разность температур. Величина 1/а, обратная коэффициенту теплоотдачи а, в знаменателе формулы (3.63) соответствует величине 6/Х в формуле (3.58), которую мы назвали термическим сопротивлением теплопроводности по аналогии с электрическим сопротивлением в формуле закона Ома. Поэтому величину 1/а (м -К/Вт) следует считать термическим сопротивлением конвективного теплообмена. [c.58] Вернуться к основной статье