Отдача теплоты нагретым телом, коэффициент теплообмена

Отдача теплоты нагретым телом

Различают три вида передачи теплоты от более нагретого тела к менее нагретому.

а). Теплопроводность – процесс передачи пепла от одного тела к другому (частицы тела), когда они соприкасаются друг с другом.

(λ – коэффициент теплопроводности).

б). Конвекция – процесс передачи тепла путем перемещения частиц жидкости или газа.

Естественная конвекция – движение газа за счет разности плотностей нагретого и холодного газа.

Искусственная – за счет насосов, вентиляторов.

(k_К – коэффициент теплоотдачи конвекцией).

Например, коэффициент теплоотдачи конвекцией горизонтально расположенного проводника диаметром d = (10 – 80) мм

                        (6)

где θ₂ – температура проводника, θ₁ – температура окружающей среды.

в). Тепловое излучение – отдача тепла путем излучения электромагнитых колебаний (ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей) – это лучеиспускание или радиация. (k_Л – коэффициент излучения).

Для практических расчетов вводят понятие единого коэффициента теплообмена (теплоотдачи) k_Т, Вт/м²·⁰С, так как трудно определить долю каждого вида передачи теплоты. Этот коэффициент имеется в справочниках, приводится в виде выражения, зависящего от температуры. Он показывает сколько Вт отдаётся с одного м² боковой поверхности проводника или электрического аппарата в окружающую среду при разности температур аппарата и среды в 1,0 ⁰С.

Нагрев и охлаждение однородного проводника по времени: уравнение теплового баланса, нагрев и расчет сечения при продолжительном режиме с постоянной нагрузкой,

Выбор сечения по таблицам ПУЭ

Уравнение теплового баланса проводника с током

                       (7)

где  – тепловая энергия выделяемая в проводнике,  – тепло на повышение температуры,  – тепло отдаваемое в окружающую среду, G – масса проводника, (кг), c – удельная теплоёмкость, (Дж/кг·⁰С), F – площадь поверхности теплоотдачи, (м²),

θ – температура проводника, θ₀ – температура окружающей среды.

Введём обозначение превышения температуры

                                         (8)

тогда уравнение теплового баланса

                              (9)

Формулу теплового потока  получил Ньютон.

Различают девять режимов нагрева проводников и электрических аппаратов. Рассмотрим четыре основных режима нагрева.

Нагрев и расчет сечения при продолжительном режиме с

постоянной нагрузкой

Ток во времени не изменяется I = const, прошло достаточное время t = ∞ и проводник нагрелся до установившейся температуры τ_У, тогда уравнении теплового баланса

                                     (10)

откуда найдём установившуюся температуру

                                  (11)

Рассмотрим проводник круглого сечения, задана его допустимая температура нагрева θ = θ_Н, которая определяется материалом изоляции. Требуется определить диаметр проводника d.

Найдём составляющие выражения (11)

Боковая поверхность проводника

Подставим составляющие в (11)

Из последнего выражения найдём

                            (12)

Таким образом, зная допустимую температуру нагрева и температуру окружающей среды, можно найти диаметр провода.

Выбор сечения по таблицам ПУЭ

В практических случаях проводники выбирают по таблицам ПУЭ. В ПУЭ приводятся таблицы, в заголовке которых указывается тип проводника (кабель, шнур, провод, и др.), материал проводника (медь, алюминий), тип изоляции (резина, хлорвинил и др.). По этим данным в начале выбирается соответствующая таблица, где приводятся длительно допустимые токи для соответствующих сечений при различных способах прокладки (два провода в одной трубе, в земле и др.), при этом гарантированно проводник не будет нагреваться сверх допустимой температуры.

Основное условие выбора

I_ДД ≥ I_РН.                                         (13)

Длительно допустимый ток проводника должен быть больше или равен расчётному току нагрузки. Выбор называют: по нагреву или по длительно допустимому току.