Физические основы тепловых преобразователей.
Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что вся теплота, поступающая к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания Qтс и следовательно, если теплосодержание преобразователя остаётся неизменным (не меняется температура и агрегатное состояние), то количество поступающих в единицу времени теплоты равно количеству отдаваемой теплоты. Теплота, поступающая к преобразователю, является суммой количества теплоты Qэ, создаваемой в результате выделения в нем электрической мощности и количества теплоты Qто, поступающей в преобразователь или отдаваемое им в результате теплообмена с окружающей средой. Теплосодержание при неизменном агрегатном состоянии вещества зависит от массы «m» и удельной теплоемкости «c» материала преобразователя и связано с температурой
Теплообмен осуществляется тремя способами:
1) посредством теплопроводности;
2) посредством конвекции;
3) посредством теплового излучения;
На практике обычно имеет место комбинация этих способов.
Теплообмен посредством теплопроводности:
При нем происходит перенос тепловой энергии только путем взаимодействия частиц, находящихся в непосредственном соприкосновении друг с другом и имеющих различную температуру. В чистом виде теплообмен путем теплопроводности имеет место только в твердых телах. Распространение теплоты путем теплопроводности определяется законом Фурье:
g=-Ляgrad тет
g - тепловой поток, представляющий собой количество теплоты, переданное в единицу времени через единицу поверхности.
Ля - теплопроводность
Теплопроводность зависит от природы и физического состояния вещества. В анизотропных телах она зависит кроме того от направления распространения теплоты. Лучшими проводниками теплоты являются металлы, наименьшей теплопроводностью обладают газы. Для газов теплопроводность зависит не только от состава газа, но и от температуры при большом разряжении от давления.
Полный тепловой поток созданный разностью температур определяется формулой:
Gтет - тепловая проводимость среды.
Rтет - тепловое (термическое) сопротивление среды.
Тепловая проводимость среды зависит от теплопроводности, определяемой по справочным данным из геометрических соотношений и для её расчета можно использовать аналогичные формулы электропроводимости, заменив удельную проводимость теплопроводностью.
Тепловая проводимость плоской стенки:
S - площадь стенки;
бет - толщина стенки;
Тепловая проводимость цилиндрической стенки:
l - длина цилиндра;
d1 - внешний диметр стенок цилиндра;
d2 - внутренний диаметр стенок цилиндра;
Теплообмен посредством конвекции совершается путем перемещения материальных частиц и может иметь место только в жидкостях или газах. Если причиной движения потоков жидкости или газа является неодинаковая плотность среды, вызванная разностью температур, то говорят о естественной конвекции. Движение потоков под действием внешних причин вызывает вынужденную конвекцию. Полный тепловой поток в этом случае определяется формулой Ньютона:
gто - тепловой поток теплоотдачи;
Е - коэффициент теплоотдачи;
S - площадь поверхности тела;
Дтет - разность температур окружающей среды и тела;
Е при естественной и вынужденной конвекции рассчитывается на основании теории теплового и геометрического подобий.
Тепловое излучение- поток электромагнитных волн, излучаемых телом за счет его тепловой энергии и полностью или частично поглощаемых другими телами.
Разность между излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергии отлична от нуля, если температура тел, участвующих во взаимном обмене лучистой энергии, различна. По закону Стефана-Больцмана полное количество энергии, излучаемой в единицу времени единицей поверхности, имеющей температуру , равно:
сиг0 - константа излучения абсолютно черного тела.
В технических расчетах этот закон применяется в более удобной форме:
С0 – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.
Закон Стефана-Больцмана применим к реальным (серым) телам, но их коэффициент лучеиспускания рассчитывается с учетом относительной излучательной способности или степени черноты тела .
Еэффективное – извне падающее эффективное значение окружающих тел.
При выводе формул лучистого теплообмена между телами необходимо учитывать кроме лучеиспускательной, поглощательной и отражательной способности тел их размеры и направления излучений. Относительно простые формулы могут быть выведены для обмена теплом между плоскими параллельными поверхностями и между двумя поверхностями в замкнутом пространстве, когда одна из поверхностей охватывает другую обязательно выпуклую поверхность.