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.
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.