» » Виды теплообмена
02.06.2015

Процесс теплообмена осуществляется путем теплопроводности, конвекции и теплового излучения (лучеиспускания).
Теплопроводность обусловливает последовательный переход тепла от непосредственно соприкасающихся между собой частиц тела без взаимного технического перемещения этих частиц. Передача тепла теплопроводностью наиболее характерна для твердых тел. В твердых телах — диэлектриках и жидкостях — тепло переносится упругими волнами, в металлах — диффузией электронов, а газах — диффузией атомов или молекул.
Конвекция заключается в переносе тепла движущимися частицами жидкостей, расплавов и газов; при этом очень большое значение имеют состояние и характер движения жидкости и газа. Явление конвекции всегда сопровождается явлением теплопроводности.
Излучением называется распространение тепловой энергии в виде электромагнитных волн. Оно связано с двойным превращением энергии: тепловой в лучистую и лучистой в тепловую.
В металлургических печах обычно встречаются все три вида теплопередачи, иногда в весьма сложных комбинациях. Поясним это на примере схемы теплообмена в пламенной высокотемпературной отражательной плавильной печи (рис. 12). В этом агрегате основным видом теплопередачи от газов к шихте, кладке, и ванне является излучение, передающее до 90% тепловой энергии. Теплопроводность имеет решающее значение в обмене теплом между печью и окружающей средой (потери тепла), а также в прогреве шихты и ванны на глубину. Конвекция в рабочем пространстве отражательной печи имеет ограниченное значение. Теплообмен наружной поверхности печи с окружающей средой происходит излучением и конвекцией.
Виды теплообмена

В низкотемпературных печах и тепловых устройствах (воздухоподогреватели и др.) с большими скоростями газовых потоков конвекция играет значительную роль и ею может передаваться до 50—70% от всего количества тепла. Конвекция имеет также большое значение для теплообмена между газами и шихтой шахтных печей. В электрических рудоплавильных печах, работающих с электродами, погруженными в толстый слой расплавленного шлака, теплопередача к шихте происходит главным образом путем конвекции шлака. В муфельных печах, воздухоподогревателях и паровых котлах большую роль играет теплопроводность через стенку муфеля или трубки.
Для наиболее распространенного в технике случая плоской многослойной стенки передача тепла теплопроводностью при стационарном режиме рассчитывается по формуле (29), выведенной на основании закона Фурье:
Виды теплообмена

Передача тепла теплопроводностью при нестационарном режиме рассчитывается по формулам и графикам, полученным частными решениями общего дифференциального уравнения теплопроводности Фурье:
Виды теплообмена

Этим решениям было посвящено большое число математических исследований советских и иностранных ученых (Гребер, Мак-Адамс, Шак, Тайн, Будрин, Шмидт и др.). Решение производится при помощи рядов Фурье и Бесселевых функций для одномерного поля, исходное дифференциальное уравнение которого имеет вид
Виды теплообмена

Результаты решения наиболее удобно выражаются при помощи теории подобия в виде безразмерных критериальных уравнений, составленных из безразмерной температуры и критериев Био (Вi), Фурье (Fо), геометрического подобия.
Наибольший интерес представляют решения дифференциального уравнения, позволяющие рассчитывать нагрев и охлаждение тел с определением значений температуры различных точек тела и количества переданного тепла в зависимости от времени. Одно из таких решений было получено при следующих краевых (начальных и граничных) и упрощающих условиях:
1) температурное поле одномерно;
2) геометрические формы тела элементарно просты и представлены пластиной, цилиндром бесконечной длины или шаром;
3) физические свойства тела не зависят от температуры;
4) все точки тела в начале нагрева (охлаждения) имеют одинаковую температуру;
5) газовая или жидкая среда, в которой происходит нагрев или охлаждение тел, имеет во всех точках одинаковую и постоянную во времени температуру:
6) коэффициент теплоотдачи между средой и телом постоянен во времени;
7) тела нагреваются или охлаждаются одновременно со всех сторон.
При этих условиях были найдены следующие расчетные формулы в виде критериальных уравнений:
Виды теплообмена

Формулы (30) применяются для расчета нагрева и охлаждения массивных тел, для которых величина Bi > 0,5. Для расчета времени нагрева тонких изделий (к которым относится большинство изделий из цветных металлов и сплавов), характеризующихся значением Si < 0,5, можно пользоваться формулой Б.В. Старка:
Виды теплообмена

Для случая теплоотдачи конвекцией при вынужденном турбулентном движении газов применяется формула М.А. Михеева:
Виды теплообмена

Индексы f и w у критериев обозначают, что значение критериев вычисляются соответственно при температуре газа и температуре поверхности тела.
Передачу тепла излучением применительно к рабочему пространству пламенных печей рассчитывают по формуле (33), основанной на законе Стефана-Больцмана и являющейся частным случаем решения этой задачи:
Виды теплообмена

Значение Сг.к.м может приближенно определяться по формуле, выведенной В.Н. Тимофеевым:
Виды теплообмена