Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ
• 1.1 Теплопередача
• 1.2 Общие представления о теплопередаче
• 2. ВИДЫ ТЕПЛООБМЕНА
• 2.1 Существует три элементарных вида передачи тепла
• 3. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
• 3.1 Основные постулаты теплопроводности, способы, с помощью которых изучаются физические явления
• 3.2 Температурное поле
• 3.3 Температурный градиент
• 3.4.Тепловой поток. Закон Фурье
• 3.5 Коэффициент теплопроводности
• 4. КОНВЕКТИВНЫИ ТЕПЛООБМЕН В ОДНОРОДНОИ СРЕДЕ
• 4.1 Главные положения учения о конвективном теплообмене, определения и понятия учения
• 4.2 Физические характеристики жидкости
• 5. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ
• 5.1 Основные законы излучения, характеристика процесса
• 5.2 Виды лучистых потоков; вектор излучения
• 6. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 6.1 Оптимизация тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий
• 6.2 Угловые теплопотери
• 6.3 Теплопотери через окна в зависимости от соотношения сторон света.
• 6.4 Влияние растворных швов кладки на теплопотери стен
• 7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ
• 7.1 Организация процесса разработки и строительства программного продукта для расчета нагрузок на ролики МНЛЗ
• 7.1.1 Экспертная оценка трудоемкости выполнения разработки
• 7.1.2 Определение состава исполнителей, их функций и фондов времени работы
• 7.2. Технико-экономическое обоснование проекта
• 7.3. Технико-экономические показатели проекта
• 8. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
• 8.1 Организация площадки строительства, рабочих мест и участков
• 8.2 Эксплуатация строительных машин
• 8.3 Эксплуатация инструмента, оснастки технологического характера
• 8.4 Транспортные работы
• 8.5 Газопламенные работы, работы по электрической сварке
• 8.6 Работы по разгрузке, погрузке
• 8.7Работы по монтажу
• 8.8 Электромонтажные работы
• 8.9 Кровельные работы
• 9. РАЗДЕЛ ПО ЭКОЛОГИИ
• 9.1 Охрана водных ресурсов при осуществлении работ строительного характера
• 9.2 Охрана и рациональное пользование землями
• 9.3 Прогнозирование изменений в природной среде
• 9.4 Заявление о последствиях для экологической ситуации
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


ВВЕДЕНИЕ

Теплообмен (теплопередача) учение о процессах, связанных с передачей теплоты в пространстве. Согласно учению, данные процессы происходят непрерывно. Процесс, в ходе которого передаётся тепло - обмен между областями среды, которая изучается (или её составляющими) некоторым количеством запасённой внутренней энергии. Существует три метода передачи тепла: конвекция, теплопроводность, излучение.

При возникновении теплопроводности тепло передаётся между телами при помощи молекул. Перенос энергии при теплопроводности обусловлен разностями температур в разных точках изучаемого пространства.

Единственная среда, в которой возможно возникновение конвекции - текучая. Тепловая конвекция представляет собой процесс, при котором составляющие газа или жидкости при переходе из одной области среды в другую (имеющие различные температуры) переносят вместе с собой энергию. При конвекции перемещение теплоты неразрывно связано с перемещением вещества.

При тепловом излучении энергия распространяется благодаря волнам электромагнитного характера. Процесс излучения обуславливается исключительно оптическими характеристиками тела, которое даёт излучение, а также его температурой. Та энергия, которой обладает излучающее тело, при протекании процесса становится энергией излучения. Зачастую в природных и технических системах все три вида передачи тепла осуществляются совместно.

Теплопроводность, как правило, возникает только в твёрдых телах.

При возникновении тепловой конвекции всегда формируется теплопроводность. Ситуация, при которой тепло перемещается при помощи теплопроводности и конвекции одновременно, получила название конвективного теплообмена.

При проведении инженерных расчётов зачастую рассчитывается теплообмен конвективного типа, которой возникает между твёрдым телом и жидкостью (или твёрдым телом или газом). Данный процесс получил название конвективной теплоотдачи.

Описанные выше процессы во многих случаях протекают вместе с излучением. Если теплопередача осуществляется одновременно теплопроводностью и излучением, то для данного явления применяется наименование теплообмена радиационно-кондуктивного характера. В случае возникновения конвекции дополнительно к излучению и теплопроводности, то такой обмен энергией называется радиационнo-конвективным теплообменом. Существует и общее название для двух описанных выше способов перемещения теплоты - сложный теплообмен.

В бытовой и технической сферах часто отмечаются процессы, при которых жидкости, отделённые друг от друга стенкой, начинают осуществлять теплообмен. Данный процесс, при которой более нагретая жидкость начинает отдавать свою внутреннюю энергию менее нагретой жидкости, получил название теплопередачи. Он может осуществляться за счёт протекания различных элементарных процессов. К примеру, трубы, входящие в состав котлового агрегата и генерирующие пар, имеют теплоту после протекания теплообмена радиационно-конвективного характера. Теплота передаётся между различными слоями (накипь, стенка из металла, загрязнения) посредством теплопроводности. От внутренних трубных поверхностей до жидкости, которая их омывает, энергия перемещается за счёт конвекции. теплообмен потеря ограждающая конструкция

Теплообмен возникает в самых разных средах: смесях и чистых веществах. Обмен теплом может происходить как с изменением состояния тела, так и без него. В зависимости от того, какие параметры определяют процесс теплопередачи, для описания теплообмена применяются различные уравнения.

Зачастую теплота транспортируется вместе с веществом. К примеру, при процессе, сопровождающемся испарением воды (которая в виде пара попадает в воздух), возникает не только теплообмен, но и передвижение масс пара в смеси из пара и воздуха. Транспортировка пара может происходить за счёт конвективного и молекулярного способов. Если такие процессы протекают одновременно, то теплообмен называется конвективным массообменом. Если дополнительно к обмену теплом начинает протекать и массообмен, то процесс становится значительно более сложным. Кроме того, транспортировка энергии возможна и за счёт перемещения веществ, которые диффундируют.

Если существует смесь отличающихся друг от друга веществ, то перемещение теплоты от одной составляющей смеси к другой может протекать вследствие неравномерного распределения какой-либо физической величины в разных компонентах системы. К примеру, диффузионный теплоэффект (молекулярная транспортировка температуры, которая осуществляется дополнительно к основной) возникает вследствие различных концентраций веществ, которые входят в смесь. Влияние таких эффектов на размер переносимой теплоты, как правило, находится в таких значениях, которыми допускается пренебречь.

При изучении телообмена с теоретической точки зрения вводятся некоторые модели, помогающие сформировать представление о среде, где происходят исследуемые процессы. Твёрдые тела, жидкости и газы, в отношении которых проводится изучение, в рамках исследования рассматриваются как сплошная среда (их дискретное строение не учитывается).

Сплошные среды могут быть неоднородными либо однородными (отличие - в свойствах физического характера в разных точках среды: в первом случае они отличаются друг от друга, во втором являются одинаковыми). Кроме того, сплошные среды могут быть анизотропными и изотропными.

Цель: Способы и виды оптимизации тепловых потерь через ограждающие конструкции.

Задачи:

1. Рассмотрение видов тепловых потерь через ограждающие конструкции.

2. Энергосбережение.

3. Проблемы оптимизации тепловых потерь через ограждающие конструкции.

4. Раскрыть способы и виды тепловых потерь

5. Оптимизация тепловых потерь при этих способах и видах тепловой передачи энергии.



1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

1.1 Теплопередача

Теплопередача -- физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному, либо непосредственно (при контакте), или делящую (тела или среды) ограждения из какого-либо материала. Если физические тела находятся в одной системе, но с разными температурами, тогда происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела другому до установления равновесной температуры между телами, термодинамического равновесия. Передача тепла самопроизвольна и всегда происходит от более горячего тела, это не что иное, как следствие второго закона термодинамики.

1.2 Общие представления о теплопередаче

Любое энергетическое преобразование, которое реально может протекать, связано с переходом энергии в состояние теплоты. Такой переход может быть как частичным, так и полным. Согласно 1-ому началу термодинамики, некоторая часть теплоты совершает работу, а оставшаяся откладывается в виде внутренней энергии системы. 1-ое начало термодинамики даёт ответ на вопрос о количественном значении энергии, которое поглотилось или выделилось при энергетическом преобразовании.

Согласно второму термодинамическому началу, если термодинамическая система прогрета неравномерно, то теплота начинает произвольно транспортироваться от более нагретой составляющей системы к той её части, которая имеет меньшую температуру. С помощью данного начала можно ответить на вопрос о направлении, в котором передаётся теплота.

Оба описанных выше термодинамических начала очень важны, но с их помощью невозможно достичь решения задачи, связанной с необратимым пространственным переносом теплоты, который происходит произвольно в системе с неравномерным температурным распределением. Здесь необходимо вспомнить, что реальное время в термодинамике сознательно не используется (процесс, в ходе которого транспортируется энергия, считался медленным - квазистатическим).

Теплопередача является с физической точки зрения очень сложным процессом. На особенности его протекания влияют размеры и форма термодинамической системы, температурное распределение снаружи и внутри неё, характеристики веществ с теплофизической точки зрения. В самом простом случае (тела, температуры которых неодинаковы, соприкасаются, при этом перемещений тел относительно друг друга не происходит) транспортировка тело осуществляется посредством теплопроводности. В более сложном случае (если пар, жидкость, газ, сыпучие частицы) перемещаются относительно того твёрдого тела, в контакт с которым они входят, теплопередача осуществляется посредством конвективного теплообмена. Если же отличающиеся друг от друга по температуре тела не соприкасаются друг с другом, то передача тепла от одного тела к другому происходит посредством излучения (транспортировкой энергии «занимаются» либо фотоны, либо волны электромагнитного типа). В этом проявляется основное отличие излучения от других способов теплопередачи: для протекания данного процесса не требуется контакт между телами или их разделение исключительно средой с материальными свойствами.

Все способы теплопередачи (как и любые два из них) могут протекать совместно. К примеру, на рисунке 1.1. представлена теплопередача, которая протекает в тормозной автомобильной системе. Транспортировка тепла осуществляется за счёт:

- теплопроводностью (к составляющим подвески);

- конвективным теплообменом (к воздушному потоку, который обтекает тормозную систему, при этом в зависимости от скорости перемещения автомобиля тепло, которое будет отводиться данным способом, существенно отличается по своим значениям);

- излучением (через воздух к кузову, грунту и иным телам, температура которых ниже, чем у тормозной автомобильной системы).

Рисунок 1.1- Тормозная системы автомобиля

В теории теплопередачи теплообмен конвективного характера и теплопроводность рассмотрены достаточно хорошо. В каждом разделе применяются свои исследовательские методы и понятия, при необходимости учитывается и влияние, которое оказывается другими способами передачи тепла.



2. ВИДЫ ТЕПЛООБМЕНА

2.1 Существует три элементарных вида передачи тепла

· Конвекция

· Тепловое излучение

· Теплопроводность

Зачастую в природных условиях тепло транспортируется посредством сочетаний указанных выше видов. Ниже приведено описание основных методов:

· теплопередача (передача тепла от среды с большей температурой к среде, значение температуры которой меньше, через стенку, которая их разделяет);

· теплоотдача (обмен теплом между газом либо жидкостью с одной стороны и твёрдым телом с другой на основе конвективного способа);

· способ конвективно-лучистого типа (тепло совместно транспортируется конвекцией и излучением);

· термомагнитная конвекция

Внутренние тепловые источники - понятие, которое описывает процессы, связанные с производством и поглощением энергии теплового характера, которые существуют внутри тел без получения ими энергии из внешней среды. Существуют следующие внутренние тепловые источники:

· электрической ток;

· реакции ядерного характера;

· реакции химического типа.

Коэффициент теплопередачи

Данный показатель указывает на количество теплоты, которое теплоноситель с большей температурой передаёт теплоносителю, температура которого меньше. На значение показателя влияют время, в течение которого производится транспортировка тепла, площадь поверхности, через которую проводится теплообмен, а также выраженная в Кельвинах температурная разница.

Коэффициент теплопередачи конструкции ограждающего назначения

Данная величина измеряется в Вт/см2 *°С и даёт представление об удельном потоке тепла, который проходит через площадь ограждающей поверхности, равной 1 см2 (при этом температурная разница составляет 1 градус Кельвина или Цельсия). Чаще всего в справочной литературе применяются значения, выраженные в Вт/м*°К (отображает поток тепла, который за один час проходит через площадь поверхности в 1 квадратный метр, при этом температурная разница равна 1 градусу). В строительстве наиболее часто применяется величина «коэффициент теплового сопротивления», которая по своей сути является обратной к рассматриваемой величине.



3. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

3.1 Основные постулаты теплопроводности, способы, с помощью которых изучаются физические явления

Сегодняшние представления о физике в целом и теплопроводности в частности позволяют произвести описание рассматриваемого явления при помощи методов статистического и феноменологического типов.

Феноменологический тип - способ, посредством которого возможно описание процесса, при котором процесс рассматривается в качестве сплошной среды (макроскопическая структура его вещества не принимается во внимание).

На основе подобного метода можно понять, как соотносятся между собой некоторые общие параметры процесса. Характер феноменологических законов - общий (для их применения к конкретным физическим средам используются поправочные коэффициенты, значения которых устанавливаются опытным путём).

Статистический метод предусматривает изучение явления, существующего в физике, на основе исследования внутренней структуры, которой обладает вещество. При таком подходе среда рассматривается в качестве системы физического характера, в которой существует большое количество электронов, ионов или частиц, для которых известны законы, по котором они взаимодействуют между собой, а также основные свойства. Задача, для решения которой может быть использован статистический способ - построение на основе микроскопических характеристик среды модели её макроскопических свойств (то есть тех свойств, которыми обладает система в целом).

Разберём подробнее преимущества и недостатки описанных выше исследовательских методов.

На основе феноменологического способа связи, которыми обладают параметры, устанавливаются сразу, также при таком методе можно использовать данные, полученные в ходе эксперимента (причём точности способа определяется исключительно точностью этой информации).

Главный недостаток феноменологического исследовательского способа - необходимость опыта для определения характеристик, которыми обладает физическая среда. Это ограничивает пределы, в которых могут использоваться законы феноменологических законов. Нельзя также учитывать такие стороны проведения современных опытов, как сложность и дороговизна их организации.

Основное достоинство статистического способа - отсутствие эксперимента (макроскопические характеристики среды определяются лишь на основе расчётов). Однако данный метод очень сложен, и именно поэтому завершённые соотношения получаются при применении статистического метода лишь для самых простых моделей. Также для метода, основанного на статистическом подходе, необходимы значения параметров, изучаемых в специальных разделах физической науки.

В данной работе для изучения теплопроводности применяется феноменологический способ.

Теория аналитического характера рассматривает вещество в качестве сплошной среды (её молекулярный состав не учитывается). Описанный подход можно использовать только в том случае, если размеры, которыми обладают объекты, в отношении которых производится исследование, намного превышают расстояния, на которых отмечается эффективное взаимодействие между молекулами разных веществ.



3.2 Температурное поле

При теплопроводности энергия теплового характера распространяется тогда, когда тела или их частицы входят друг с другом в непосредственный контакт, при этом значения температур у соприкасающихся объектов должны быть различными. Теплопроводность возникает вследствие движения, которое совершают частицы веществ.

Транспортировка энергии в газах происходит посредством диффузии атомов и молекул, что же касается тел, находящихся в твёрдом состоянии, а также жидкостей, то здесь действуют упругие волны. В веществах-металла теплопроводность реализуется электронами, которые свободно перемещаются по кристаллической решётке (при этом роль колебаний, которые совершает такая решётка, для теплопроводности вторична).

Нужно заметить, что чистая теплопроводность в газах или жидкостях возможна тогда, когда полностью исключаются способствующие возникновению конвекции кондиции.

При протекании любого физического явления во времени и пространстве физические величины, являющиеся для такого явления существенными, изменяют свои значения. Как уже было сказано выше, теплопроводность может существовать только в том случае, если в двух или более точках системы тел (или одного тела) температура приобретает разные значения. Температурные изменения при возникновении теплопроводности в теле, находящемся в твёрдом агрегатном состоянии, протекают как во времени, так и в пространстве.

Аналитическое изучение теплопроводности - исследование изменений значений температуры во времени и пространстве. Другими словами, нужно найти решение уравнения:

.(1)

Уравнение (1) - выражение характеристик температурного поля математическими методами. На основании этого можно сделать вывод об определении поля температур как совокупности значений температур, существующих в любой временной момент в каждой пространственной точке, в отношении которой происходит изучение.

Поле температур может быть нестационарным и стационарным. Уравнение (1) представляет собой самую общую запись поля температур (отображает изменение температуры в зависимости от точки и времени, в которое производится наблюдение). Данное поле называется нестационарным, поскольку оно соответствует колеблющемуся режиму температур.

В случае формирования постоянного теплового режима, в каждом месте поля со временем температура не изменяется (такое поле температур получило название стационарного). В данном случае температура зависит только от точки, что в уравнении выражается координатной зависимостью:

.(2)

Если поле температур попадает под уравнения (2) и (1), то оно называется пространственным (значение температур зависит от всех координат). Двумерное поле температур - поле, температура в точках которого зависит только от двух координат. Выражается такое поле следующим уравнением:

.(3)

Одномерное поле - поле, в котором температура изменяется в зависимости только от одной координаты. Для записи поля применяется следующая формула:

.(4)

Самым простым для записи является стационарное одномерное поле температур. Оно выражается уравнением (5):

.(5)

3.3 Температурный градиент

В случае соединения точек с равными температурными значениями сформируется изотермическая поверхность.

Поскольку для одной точки в один момент времени возможна только одна температура, поверхности изотермического характера не имеют точек пересечений. Они либо полностью лежат внутри тела, либо имеют границы на его поверхности.

При плоскостном пересечении поверхностей изотермического характера формируется изотермическое семейство. Члены семейства изотерм имеют аналогичные изотермическим поверхностям характеристики (либо полностью лежат внутри тела, либо имеют границы на его поверхности).



Рисунок 1.2-Изотермы

Рисунок 1.2 даёт представление об изотермах, температурные значения которых отличаются друг от друга на величину Дt.

Значения температур в теле меняются только по тем направлениям, которые пересекают поверхности изотермического характера. Больше всего температура на единицу измерения длины меняется в направлении, совпадающем с нормалью к поверхности изотермического характера.

Увеличение температурных значений в направлении, совпадающем с нормалью к изотермической поверхности, определяется температурным градиентом.

Температурный градиент - вектор, направлением которого является нормаль к поверхности изотермического характера (конкретное направление определяется той стороной, при движении в которую температура повышается). Численное значение вектора рассчитывается по температурной производной, взятой по направлению вектора (уравнение (6)):

,(6)

где -- нормальный вектор единичного размера, который направлен в сторону, где повышается температура;

-- температурная производная по n.

Скалярная величина обладает разными значениями для отличающихся точек поверхности изотермического характера. Данная величина приобретает большие значения при снижении расстояния Дn между поверхностями, в которых наблюдаются одинаковые значения температуры. В дальнейшем данная величина также будет иметь наименование градиента температур.

При снижении температуры величина приобретает отрицательные значения.

Векторные проекции grad t на оси координат будут высчитываться по следующим формулам:

(7)

3.4 Тепловой поток. Закон Фурье

Теплота распространяется в среде только в том случае, если температура в ней распределена неравномерно (градиент температуры в разных точках изучаемого пространства должен иметь отличающиеся от нуля значения).

Как гласит гипотеза Фурье, тепловое количество Дж, которое проходит через поверхность изотермического характера за временной промежуток t, является пропорциональным градиенту температур :

.(8)

Коэффициент, который фигурирует в уравнении (8), является физической характеристикой вещества. На основании значения, которое он приобретает для каждого вещества, можно судить о том, насколько хорошо вещество пропускает через себя теплоту. В физике для данного коэффициента принято название «коэффициент теплопроводности».

Плотность потока тепла - теплота, которая за временную единицу проходит через единичную площадь поверхности изотермического характера Вт/м². Плотность потока тепла - векторная величина, значение которой определяется уравнением (9):

.(9)

Направление вектора совпадает с нормалью, проведённой к поверхности, объединяющей точки с одинаковыми температурными значениями. Положительные значения вектора совпадают с направлениями, в которых температура убывает (теплота может передаваться только от тел, которые нагреты в большей степени, чем остальные). На основании вышесказанного можно сделать вывод о расположенности векторов и grad(t) на единой прямой и одновременно - об их разнонаправленности. Именно из-за этого в правых частях соотношений (8), (9) фигурирует знак «минус». Лини потока тепла - линии, для которых касательные имеют те же направления, что и вектор q. На рисунке 1.2 отображена ортогональность таких линий по отношению к поверхностям, объединяющим точки с одинаковыми температурными значениями. Линии теплового потока ортогональны к изотермическим поверхностям (рис. 1.2).

Формула (10) используется для расчёта скалярной величины вектора плотности потока тепла, q, Вт/м²:

.(10)

Рисунок 1.3 -Изотермы и линии теплового потока

Соответствие гипотезы Фурье реальному положению вещей было подтверждено большим количеством экспериментов. Именно поэтому уравнения (1.9) и (1.8) - математические записи основного закона, согласно которому осуществляется теплопроводность. Формулировка закона следующая: плотность потока тепла пропорциональная значению температурного градиента.

Поток тепла -теплота, которая за заданную временную единицу проходит через поверхность F(изотермическую). В случае различных значений температурного градиента в разных точках поверхности теплоту, которая пройдёт за заданную временную единицу целиком через всю изотермическую поверхность, можно найти, пользуясь формулой (11):

,(11)

где -- элемент поверхности F. Единица измерения величины Q - Вт.

Формула (12) позволяет рассчитать всю теплоту Q, Дж, которая за временной промежуток t проходит через поверхность F, объединяющую все точки с равными температурами:

.(12)

При учёте формулы (13) становится возможным расчёт количества теплоты, которая за временную единицу проходит сквозь площадку , которая по отношению к плоскости находится под углом ц(рисунок 1.3). В таком случае теплота определяется по формуле (12).

.(13)

Поскольку - проекция на поверхность изотермического характера площадки ,теплота, которая за время пройдёт через , рассчитывается согласно формуле (14):

.(14)

Формула 15 - расчёт теплоты, которая за всё время фпротекает сквозь поверхность F_l,



.(15)

Как можно судить на основании уравнения (13), плотностью потока тепла с наибольшим значением будет та, которая рассчитывается вдоль нормали, проведённой к поверхностям изотермического характера. Если поток будет спроектирован на оси координат, то при учёте уравнения (7) будет получено:

.(16)

Рисунок 1.4 -К расчету теплового потока

Потоки тепла, которые выражаются при помощи уравнения (16), составляют вектор плотности потока тепла:

.(17)

На основании вышесказанного можно сделать вывод о необходимости наличия знания поля температур, которое формируется в теле изучения, для расчёта теплоты, которая пройдёт через поверхность этого тела. Главная задача аналитической теории - определение поля температур.



3.5 Коэффициент теплопроводности

Как уже говорилось выше, коэффициент теплопроводности относится к числу физических характеристик вещества. Данный коэффициент зависит от рода вещества, давления и его температуры (в общем случае), в большинстве случаев он определяется экспериментально. Как правило, значение рассматриваемого коэффициента основывается на изучении потока тепла и температурного градиента, которые возникают в веществе.

Соотношение, используемое для определения численного значения коэффициента теплопроводности л, Вт/(м*К):

.(18)



4. КОНВЕКТИВНЫИ ТЕПЛООБМЕН В ОДНОРОДНОИ СРЕДЕ

4.1 Главные положения учения о конвективном теплообмене, определения и понятия учения

Конвективный теплообмен возникает при движении газа или жидкости, которые переносят тепло. При теплообмене конвективного характера теплота транспортируется одновременно теплопроводностью и конвекцией. Тепловая конвекция - перемещение теплоты вместе с макрочастицами газа или жидкости, которые изменяют своё местоположение, переходя в область с иной температурой. Конвекция может возникнуть только в среде, обладающей свойствами текучести, поскольку теплота при конвекции перемещается только вместе с самой средой.

Если за временную единицу через какую-либо поверхность по направлению, которое по отношению к данной плоскости является нормальным, проходит жидкость , кг/ (м² * с), где -- скорость, с -жидкостная плотность, то одновременно осуществляется перемещение энтальпии, Дж/ (м² * с):

.(19)

При тепловой конвекции всегда возникает теплопроводность. Формируется данный вид теплопередачи прежде всего за счёт неизбежного соприкосновения при перемещении составляющих газа или жидкости, температурные значения которых отличаются друг от друга. Теплообмен конвективного характера описывается посредством уравнения (20):

.(20)



Здесь q - местное значение плотности, которой обладает тепловой поток. Теплопроводность описывается первым членом, стоящим в правой части соотношения, конвекция - вторым членом этой же части.

Теплоотдача - процесс конвективного теплообмена в газовых либо жидкостных потоках при наличии тела, которое соприкасается с этими потоками. Зачастую в расчётах инженерного характера определяется численное значение теплоотдачи, при этом косвенным интересом обладает знание того, как в жидкой среде осуществляется конвективный теплообмен.

Закон Ньютона-Рихмана, выражаемый формулой (21), применяется при определении численного значения теплопередачи:

.(21)

По данному закону поток тепла dQ_c, Вт, который протекает по направлению от жидкости к поверхности тела dF, с которым соприкасается тела (или наоборот), имеет значение, прямо пропорциональное dF и (t_с--температура, которая формируется на поверхности тела, t_ж --температура среды газообразного или жидкого характера, которая окружает тело). Параметр t_с- t_ж имеет название «температурный напор».

В уравнение 1.22 входит параметр б - коэффициент теплоотдачи. Значение коэффициента - учёт условий, в которых протекает теплоотдача и оказывающих влияние на интенсивность данного процесса.

Согласно уравнению (1.22)

.(22)



Данное тождество нужно рассматривать в качестве закона, по которому определяется численное значение коэффициента. Единица измерения б - Вт/ (м²*К).

Коэффициент теплоотдачи - плотность потока тепла q_с, который формируется на границе между газом (жидкостью) и твёрдым телом, которая отнесена к температурной разнице между газом (жидкостью) и твёрдым телом.

Значение коэффициента б в общих случаях меняется в зависимости от точки поверхности F. Если Дt, б Дt обладают по всей поверхности Fпостоянными значениями, то закон Ньютона -- Рихмана приобретает следующий вид:

.(23)

На конкретное значение б влияет множество факторов. В общих случаях бзависит от размеров тела и его формы, движения жидкости, её температуры, физических характеристик и иных величин. В зависимости от того, какие процессы оказали влияние на приведение жидкости в движение, теплоотдача может протекать по-разному.

Необходимым условием приведения жидкости в движение является приложение силы к ней. Каждый элемент жидкости испытывает воздействие силы, которые могут являться поверхностными или объёмными. Объёмные (или массовые) силы - силы, которые обуславливаются существованием силовых полей вне жидкости и приложенные к каждой её частице. Формирование поверхностных сил обуславливается действием тел или жидкостей, которые окружают жидкость, и имеют точки приложения только на поверхности жидкости. К числу таких сил можно отнести силы трения и давления извне.

Конвекция может быть свободной либо вынужденной. Если конвекция является свободной, то движение жидкости в её объёме обуславливается неоднородностью сил массового характера, которые действуют в ней. Если жидкость, температура в которой распределена неравномерно, испытываем земное тяготение, то может сформироваться свободное гравитационное перемещение. Далее в исследовании будет изучаться в основном свободная гравитационная конвекция, возникающая вследствие неоднородности поля температур.

Вынужденное движение изучаемого жидкостного объёма производится поверхностными силами извне, которые прилагаются на границах поверхности за счёт энергии, предварительно сообщённой. Течение жидкости, которые вызывается действием однородных полей в жидкости массовых сил, также является вынужденным. Последнее можно иллюстрировать течением жидкостной изотермической плёнки по стенке исключительно за счёт существования силы тяжести.

В общих случаях свободное и вынужденное движения могут осуществляться совместно. Свободное движение влияет тем больше, чем с меньшей скоростью жидкость двигается вынужденно. Кроме того, свободное движение приобретает большее относительное влияние, если температурная разница между отличающимися компонентами среды больше. Свободная конвекция влияет ничтожно мало, если вынужденное движение жидкости происходит на больших скоростях. Стационарность жидкости или газа достигается при условии, что со временем температура и скорость в разных компонентах газа или жидкости не меняются.

4.2 Физические характеристики жидкости

Теплообмен в зависимости от характеристик, которыми обладают газы либо жидкости, может протекать своеобразно. Самым большим влиянием на процесс обладают л (коэффициент теплопроводности), с_р (удельная теплоёмкость вещества), р (плотность), а (коэффициент проводимости температуры, которые ранее при изучении теплопроводности уже применялся),м (коэффициент вязкости).В зависимости от вещества перечисленные выше величины меняют свои значения и имеют статус функций, влияющих на параметры состояния (давления, температуры). Больше всего физические характеристики веществ меняются в околокритической области состояний в термодинамическом плане, а также при очень низких температурных значениях.

Для проведения анализа конвективного теплообмена с теоретической точки зрения сделано следующее предположение: физические характеристики газов и жидкостей в изучаемом температурном интервале являются постоянными.

У всех реальных жидкостей существует вязкость, поскольку слои и частицы жидкости, которые двигаются с различными значениями скоростей, трутся друг о друга, вследствие чего движение испытывает противодействие. Касательная сила s, Па, по закону Ньютона является пропорциональной изменениям скорости по направлению, совпадающем с нормалью к данной плоскости:

.(24)

Коэффициент р - коэффициент вязкости (измеряется в Н*с/м²). При численно s =м.

В уравнениях из областей теплопередачи и гидродинамики часто встречается отношение м к с. Данное отношение получило название кинематического коэффициента вязкости и обозначение v, м²/с:



.(25)

м и v- параметры физического характера. Их значения имеют зависимость от температуры.

Рисунок4.1 -3ависимость динамического коэффициента вязкости воды от температуры.

Вязкость капельной жидкости практически не зависит от давления, однако существенно уменьшается, если температура испытывает повышение. Рисунок 4.1 даёт представление о наиболее характерной функции применительно к капельным жидкостям.

Как демонстрирует рисунок 4.2, параметр м у газов повышается при увеличении температур. Давление оказывает на м у газов небольшое влияние: при его повышении коэффициент слабо увеличивается. Что касается кинематической вязкости, которой обладают капельные жидкости, то она снижается при увеличении температур почти так же, как и м (температура оказывает на плотность небольшое влияние).



Рисунок 4.2 -Зависимость динамического и кинематического коэффициента вязкости воздуха от температуры при давлении р=760 мм рт. ст.

У газов, на плотность которых температурные изменения оказывают очень большое влияние, вязкость кинематического характера при повышении температур испытывает увеличения значений. Если газ или жидкость, у которых проявляется вязкость, текут в определённом направлении то из-за трения внутри сред наблюдается рассеяние. Данный процесс заключается в обращении части кинетической энергии, которой обладает всякий движущийся объект (в том числе жидкость) в теплоту, вследствие чего жидкость становится более нагретой. Если жидкость течёт с небольшой скоростью или её вязкость маленькая, то нагреваться жидкость при движении будет несущественно.

Далее в работе будут рассматриваться процессы, в которых теплота трения приобретает допустимые для пренебрежения значения.

Способность жидкостей к сжатию влияет на теплоотдачу. Формула (26) позволяет рассчитать коэффициент сжимаемости тела при условии постоянства температуры:

,(26)

Данная величина даёт представление об относительном плотностном изменении вещества при повышении (или понижении) давления на него.

Закон Ньютона выполняется не для всех жидкостей. При описании свойств вязкостей таких жидкостей при помощи уравнения (26) можно прийти к выводу о зависимости коэффициента вязкости от особенностей протекания процесса. Данные жидкости получили название неньютоновских.

Способность к изотермическому сжатию, проявляемая капельными жидкостями, имеет чрезвычайно маленькие значения. К примеру, для воды е ? 5*10^-10 Па^-1 (увеличение давления на значение 1 бар изменяет относительную плотность на 1/20 000). Это же наблюдается и в отношении всех остальных жидкостей капельного характера, вследствие чего для них изотермической сжимаемостью допускается пренебречь.

В нормальном состоянии воздух имеет значение параметра е=10^-5 Па^-1, а значит, его сжимаемость в 20 тысяч раз превышает аналогичный показатель воды. Остальные газы имеют к своим жидкостям соотношения такого же порядка.

Главным является действительное сжатие газа в конкретном течении, в отношении которого производится изучение. Чтобы газ существенно сжался, на него нужно подействовать большим давлением. Если газ движется с формированием разностей в давлении, значения которых являются по сравнению с абсолютным давлением, которое оказывает газ, небольшими, то объём газа практически не изменится (им можно придать статус несжимаемым при проведении первого приближения).

Если течение газа имеет значительную скорость, то давление изменяется в больших пределах. Результат - наличие у теплоотдачи целого ряда особенностей, которые проявляются на больших скоростях. Если такие особенности не будут учтены, то исследование будет включать в себя ошибки.

Далее в работе по большей части рассматривается теплоотдача, которая проявляется несжимаемой жидкостью (термин «жидкость» будет означать как сами жидкости, так и газы). Будет проведено отдельное рассмотрение теплоотдачи, которую проявляет сжимаемый газ.

Течения газа, которые могут и не могут быть сжаты, ничем не отличаются друг от друга. Как правило, законы теплоотдачи и движения, используемые для жидкости, которая не может сжиматься, используется применительно к газам в том случае, если их скорость меньше, чем одна четвёртая часть от скорости звука.

Конвективный теплообмен может значительно изменять условия своего протекания в зависимости от того, каким тепловым расширением обладает жидкость. Охарактеризовать данный параметр можно температурным коэффициентом расширения в объёме, рассчитываемый при условии принятия давления постоянным по следующей формуле:

.(27)

По своей трактовке температурный коэффициент расширение в объёме в, К^-1, является относительным объёмным изменением, которое формируется при условии постоянного давления при понижении либо повышении температура на один градус.

У жидкостей рассматриваемый показатель приобретает сравнительно малые значения (за исключением близких к критической точке термодинамики областей). Существуют жидкости, у которых данный коэффициент может быть отрицательным (пример - вода при t<4°C).

В случае идеального газа коэффициент температурного характера расширения в объёме является обратной к абсолютной газовой температуре величиной:

.(28)

Если жидкость нагрета неравномерно, то поле плотности вследствие протекания температурного расширения становится неравномерным. Вследствие этого может возникнуть свободное движение.



5. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

5.1 Основные законы излучения, характеристика процесса

Лучистый теплообмен сегодня очень широко применяется в ракетостроении, теплотехнике, сушильной технике, химтехнологии, гелиотехнике, светотехнике и других технических областях.

Тепловое излучение - процесс, при котором внутренняя энергия, наличествующая у излучающего тела, распространяется в пространстве посредством волн электромагнитного характера (возмущения, которые испускаются излучающим телом со скоростью, равной с=3*10⁸ м/с). Если волны поглощаются какими-либо телами, то их энергия становится внутренней энергией данных тел. Возбудители волн электромагнитного характера - материальные частицы, обладающие зарядом. Частота, обусловленная колебанием ионов, имеет низкие значения, при движении электронов формируется гораздо более высокая частота (при вхождении электрона в атом и его удержании в равновесии силами, существенными для электрона).

Металлы имеют множество свободных электронов, вследствие чего разговор о колебаниях, совершаемых возле позиции равновесия, неправомерен. Электроны осуществляют движение и нерегулярно тормозятся. Из-за этого излучение, которое дают металлы, является импульсным и раскладывается на волны нескольких частот. Излучение имеет не только волновые, но и корпускулярные свойства, которые заключаются в дискретном поглощении (испускании) энергии веществом посредством фотонов. Фотон - составляющая материи, у которой есть энергия, электромагнитная масса и некоторое сообщённое её движение. Именно поэтому излучение теплового характера можно изучать в качестве фотонного газа.

Когда фотон проходит через вещество, он сначала поглощается им, а затем испускается. На основании вышесказанного можно судить о двойственности характера излучения (оно имеет как свойства непрерывности, присущие волнам электромагнитного характера, так и свойства дискретности, которые имеются у фотонов). Оба свойства синтезируются, вследствие чего формируется представление о сосредоточении импульса, энергии в фотонах, а вероятность того, что они находятся в какой-либо точке пространства - в волнах. Излучение можно охарактеризовать параметрами волновой длины (л) или частоты, с которой совершаются колебания (v=c/л). Таблица 1 свидетельствует об одинаковой природе всех видов излучения электромагнитного характера (единственное отличие - разные значения волновых длин).

Таблица 1-Классификация излучения электромагнитного характера по признаку волновой длины

Вид изучения	Длина волны, мм
Космическое	0,05*10-9
г-излучение	(0,5 ч 0,10) 10-9
Рентгеновское	1*10-9ч 2*10-5
Ультрафиолетовое	2*10-5 ч 0,4*10-3
Видимое	(0,4 ч 0,8)*10-3
Тепловое (инфракрасное)	0,8*10-3ч 0,8
Радиоволны	>0,2

Поскольку длины волн электромагнитного характера отличаются друг от друга, явления, которые присущи всем рассматриваемым волнам, проявляются для разных волн в разной степени. К примеру, корпускулярные свойства лучше всего выражаются в излучении с короткими длинами волн. Что же касается волновых характеристик, то они ярче всего проявляются у волн радиодиапазона.

Большая часть жидких и твёрдых тел излучает непрерывно (энергия волн, которые ими излучаются, может приобретать значения от 0 до ?). Твёрдые тела, дающие непрерывающийся спектр излучения - непроводники, полупроводники, металлы, у которых поверхность имеет шероховатости и окислена. Селективный спектр излучения - металлы с поверхностью, для которой была проведена полировка, пары, газы. То, насколько интенсивно тело излучает, зависит от его температурных характеристик, длины его волны, кондиции поверхности. У тел, находящихся в жидком и твёрдом состояниях, способности к излучению и поглощению являются значительными, вследствие чего в лучистом теплообмене принимают участие лишь те слои, которые находятся на поверхности. Толщина таких слоёв невелика: для тел, не проводящих тепло - 1 мм, для тел, проводящих тепло - 1 мкм. Из-за этого излучение теплового характера в приближении изучается как поверхностное явление. Тела, обладающие полупрозрачностью (к примеру, оптическая керамика, стекло), имеют объёмный излучательный спектр, участвуют в котором все частицы в объёме вещества. То, насколько сильно тело излучает, зависит от его температурной кондиции. При увеличении температурного режима внутренняя энергия, которой обладает тело, увеличивается, вследствие чего его энергия также повышается, а её спектральный состав претерпевает изменения. Если тело изменяет свою температуру в сторону увеличения, то интенсивность его изучения в коротковолновом диапазоне повышается (для длинноволнового диапазона - наоборот). Излучение зависит от температуры гораздо больше, чем конвекция либо теплопроводность, вследствие чего при наступлении высоких значений температуры тела излучение может стать основным способом, за счёт которого переносится тепло.

5.2 Виды лучистых потоков; вектор излучения

Полусферическое излучение. Излучение энергии телом производится спектром (прерывистым либо сплошным) по длинам волн.

Энергия излучения, которую поверхность испускает за временную единицу во всех возможных для полупространства направлениях, соответствующая интервалу волновых длин с узким значением отл до л+dл, получила название спектрального излучения (Q_л). Интегральный поток излучения - сумма всего излучения, которое тело осуществляет по всем волновым длинам в спектре (Q).

Рассчитать интегральный поток, который исходит с одной единицы поверхности, можно по формуле (29):

,(29)

где dQ - лyчистый поток, который испускается с элементарной площадки dF, Вт.

Интеграл для выражения лучистого потока, испускаемого всей поверхностью:

.(30)

При одинаковой плотности потока, которым осуществляется интегральное излучение, для всех составляющих поверхности тела, излучающего энергию, формула (30) обращается в вид:

.(31)

Спектральная плотность излучательного потока - отношение плотности, которой обладает лучистый поток, испускаемый в малом интервале волновых длин, к размеру такого интервала волновых длин:

.(32)

Зависимости (29), (30), (31) справедливы к излучению монохроматического характера.

Плотность потока излучения может изменяться по определенным направлениям излучения. Количество энергии, испускаемое в определенном направленииl, определяемым углом ш с нормалью к поверхности n (рисунок5.1) единицей элементарной площадки в единицу времени в пределах элементарного телесного угла dщназывается угловой плотностью излучения. По определению угловые плотности спектрального и интегрального излучения выражаются соотношениями

;(33)

.(34)

Из этих соотношений следует, что.

;(35)

.(36)

К очень важным понятиям теории излучения относится интенсивность (яркость) излучения.

Рисунок 5.1 - К определению яркости излучения.

Интенсивностью излучения называется количество лучистой энергии, испускаемое в направлении угла ш в единицу времени элементарной площадкой в пределах единичного элементарного телесного угла, отнесенное к проекции этой площадки на плоскость, ортогональную к направлению излучения (рисунок 5.1):

,(37)

,(38)

откуда

,(39)

,(39)

здесь l_л и l -- интенсивности (яркости) спектрального и интегрального излучений; ц - угол, составленный нормалью к площадке и направлением излучения.

В общем случае спектральная интенсивность излучения зависит от координат точки М, направления, длины волны и времени.

Интегральная величина интенсивности излучения характеризует распределение суммарной для всех длин волн энергии излучения по всевозможным направлениям в данной точке для выбранного момента времени.

Распределение интенсивности излучения по отдельным направлениям может быть самым различным. В частном случае оно может быть одинаковым по всем направлениям.

Излучение, характеризующееся интенсивностью, одинаковой по всем направлениям, называется изотропным. Если излучение исходит с поверхности твердого тела, оно называется идеально диффузным излучением. Понятие интенсивности (яркости) излучения может относиться к отдельным видам излучения, рассматриваемым ниже. Поэтому можно говорить об интенсивности собственного, падающего, эффективного и других излучений.

Потоки интегрального и монохроматического излучения связаны следующими зависимостями:

; ; .(40)

Излучение, которое определяется природой данного тела и его температурой, называется собственным излучением (Q, Е).

Обычно тело участвует в лучистом теплообмене с другими телами. Энергия излучения других тел, попадая на поверхность данного тела извне, частично поглощается, частично отражается, а часть ее проходит сквозь тело. Количество лучистой энергии, падающее на данное тело в поле излучения, обозначается через Q_пад или Е_пад. Часть падающей энергии излучения, поглощенной данным телом, называется потоком поглощенного излучения (Q_погл, Е_погл). При поглощении лучистая энергия вновь превращается во внутреннюю энергию.

Плотность потока поглощающей лучистой энергии Е_погл, Вт/м2:

;(41)

здесь А--интегральная поглощательная способность тела.

Рисунок 5.2 - Зависимость поглощательной способности от длины волны.

1-абсолютно черное тело, 2- серое тело, 3-тело с селективным поглощением.

Тела, которые поглощают всю падающую на них энергию, называются абсолютно черными (А=1). Такое тело воспринимается зрением как черное тело; отсюда происходит название абсолютно черного тела. Если поверхность поглощает все лучи, кроме световых, она не кажется черной, хотя по лучистым свойствам она может быть близка к абсолютно черному телу, поскольку имеет высокую поглощательную способность (например, лед и снег А=0,95ч0,98). Соотношение (41) может относиться к монохроматическому излучению, как и последующие зависимости. Спектральная поглощательная способность А_л в общем случае может изменяться с длиной волны различным образом. В частном случае она может не зависеть от длины волны.

Тела, для которых спектральная поглощательная способность не зависит от длины волны, называются серыми телами (рисунок 5.2). Для серых тел А_л=const?1, так как серые тела поглощают не всю падающую на них лучистую энергию. Часть падающей энергии будет отражаться или пропускаться (проходить) через массу этих тел.

Часть падающей энергии, которую поверхность данного тела отражает обратно окружающим его телам, носит название потока отражённого излучения. Плотность потока отраженного излучения Е_отр, Вт/м², равна: