Теплопередача. В 2 частях .Часть 1. Основы теории теплопередачи

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ -  БАКАЛАВРИАТ

серия основана в 1 9 9 6  г.

B.C. ЧЕРЕДНИЧЕНКО 
В.А. СИНИЦЫН 
А.И. АЛИФЕРОВ 
Ю.И. ШАРОВ

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

В ДВУХ ЧАСТЯХ

ЧАСТЬ 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Под редакцией профессора B.C. Чередниченко

Рекомендовано

Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по техническим направлениям подготовки 
(квалификация (степень) «бакалавр») 
(протокол № 12 от 24.06.2019)

Э л е к т р о н н о

znanium.com

Москва
ИНФРА-М

2020

УДК 536.24(075.8)
ББК 31.31я73 
Ч46

Р е ц е н з е н т ы :

Кувалдин А.Б., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий и электротехнологий Национального исследовательского университета «МЭИ», 
заслуженный деятель науки РФ;

Чичиндаев А.В., доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой технической теплофизики Новосибирского государственного технического университета

Чередниченко B.C.

Ч46 
Теплопередача : в 2 ч. Ч. 1. Основы теории теплопередачи : учебное 
пособие /  B.C. Чередниченко, В.А. Синицын, А.И. Алиферов, Ю.И. Шаров ; под ред. проф. B.C. Чередниченко. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 
221 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1001086.

ISBN 978-5-16-014710-9 (общ.)
ISBN 978-5-16-014715-4 (ч. 1, print)
ISBN 978-5-16-107223-3 (ч. 1, online)
Изложены основные положения теории теплопередачи, включая теплопроводность, конвективный и лучистый теплообмен. Приведены сведения 
об используемых методах расчетов теплообмена в энергетике, электротехнике, электромеханике и электротехнологиях.

Материал второго издания частично обновлен и дополнен, главное внимание обращено на физическую трактовку затрагиваемых вопросов.

Может быть полезно студентам теплоэнергетических, электромеханических, электротехнологических и машиностроительных специальностей, 
а также широкому кругу инженерно-технических работников.

УДК 536.24(075.8) 
ББК 31.31я73

ISBN 978-5-16-014710-9 (общ.)
ISBN 978-5-16-014715-4 (ч. 1, print) 
© Чередниченко B.C., Синицын В.А., 
ISBN 978-5-16-107223-3 (ч. 1, online) 
Алиферов А.И., Шаров Ю.И., 2019

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие «Теплопередача» предназначено для студентов 
электротехнических и энергетических специальностей технических 
университетов.

К началу изучения курса «Теплопередача» студенты уже ознакомились с основными разделами физики, термодинамики, электротехники и материаловедения и поэтому имеют базу для понимания того, 
что тепловые процессы, развивающиеся в любой промышленной установке, определяют ее рабочие режимы, энергетическую эффективность, срок службы и надежность эксплуатации. Теплопередача как 
научное направление является основой для развития теплотехники, т.е. 
техники получения и использования тепловой энергии в промышленном производстве. Особо велико ее значение для устройств, в которых 
выделение теплоты -  сопутствующий процесс преобразования электрической энергии в механическую. При этом существуют безвозвратные потери, которые являются ограничивающим фактором при оптимизации конструкций и определении энергетической эффективности 
электротехнических устройств.

В первой части учебного пособия рассмотрены основные положения классической теории теплопередачи, в том числе касающиеся процессов передачи энергии за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Во второй части даны примеры использования законов 
теплопередачи для решения конкретных задач, встречающихся в инженерной и научно-технической практике.

Центральное место в решении задач отводится простым формулам, 
критериальным соотношениям, вытекающим из теории физического 
подобия. Однако использованию формул должны предшествовать анализ процессов, развивающихся в конкретной инженерной задаче, принятие решения о возможности расчленения задачи на составляющие 
расчетные части или обоснование необходимости решения в сопряженном варианте теплообмена.

Учебное пособие не следует воспринимать как очередной справочник для отыскания формул, подстановки чисел и получения количест

венного результата. Необходимо развивать умение использования теории теплопередачи для создания новой техники, особенно в приложении к электротехническим установкам, не имеющим набора готовых 
решений, формул и рекомендаций. В этих случаях теоретический анализ физических задач является методом и интеллектуальным инструментом обоснования математического описания и получения решений 
частных и общих задач прикладного характера.

Содержащиеся в книге задачи и примеры расчетов имеют часто иллюстрационный характер и поэтому крайне просты по задаваемым условиям. Это сделано преднамеренно для обучения использованию теоретических положений в применении к конкретным задачам.

Для специалистов, занимающихся энергетическим или электротехническим направлениями деятельности, теплопередача, как правило, 
имеет определяющее значение для оценки температурных условий 
протекания теплообмена и энергетической эффективности рассматриваемых технических систем. Поэтому конечный результат изучения 
теории теплопередачи необходимо рассматривать в виде балансовых 
энергетических уравнений тепловых станций или электротехнологических установок, включающих теплообмен в рабочем пространстве и 
тепловую защиту этого высокотемпературного пространства. Для 
электротехнических и электромеханических устройств возникают задачи эффективного охлаждения, так как джоулев нагрев токонесущих 
проводников ограничивает использование конструкционных материалов. Этот второй тип инженерных задач определяет величину вводимой в техническое устройство электрической энергии и также решается на основе балансовых энергетических уравнений.

Основные обозначения вынесены в начало книги, но каждая новая 
величина, вводимая в тексте, поясняется дополнительно, так как в литературе по сложившимся традициям одной и той же буквой обозначают разные параметры.

При написании книги авторы использовали свой опыт преподавания курса теплопередачи в Новосибирском государственном техническом университете. В первой части пособия разделы 1.1 -  1.15, 2.1 -  
2.8, 2.10, 2.13, 3.1 -  3.3 и 3.5 написаны В.С. Чередниченко, В.А. Синицыным, А.И. Алиферовым, разд. 1.16 подготовлен В.А. Тюковым и 
разд. 2.9, 2.11, 2.12 и 3.4 написаны Ю.И. Шаровым.

Авторы признательны д-ру техн. наук, проф. Г.В. Ноздренко и д-ру 
техн. наук, доц. Ю.В. Дьяченко за ценные рекомендации, сделанные в 
процессе рецензирования учебного пособия.

ОБОЗНАЧЕНИЯ, НАИМЕНОВАНИЯ 
И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ВЕЛИЧИН

d

t

5
h
F
Sn
s
X
w
t
T
to
Ak
tH
Q
a
q
qc

qv
i
и

Цж

V*
a
к
X
l
Cnp
e
C

cp
P

-  радиус, м
-  диаметр, м
-  длина, м
-  толщина, м
-  высота, м
-  площадь поверхности, м2
-  площадь поперечного сечения, м2
-  сила трения, Н
-  время, ч, с
-  скорость движения среды, м/с
-  температура, °С
-  температура, К
-  температура поверхности твердого тела, °С
-  температура среды, участвующей в теплообмене, °С
-  начальная температура нагрева, °С
-  тепловой поток, Вт
-  теплота, Дж
-  плотность теплового потока, Вт/м2
-  тепловой поток на единицу длины, Вт/м

-  мощность внутренних источников теплоты, Вт/м3
-  электрический ток, А
-  напряжение, В
-  коэффициент динамической вязкости среды, Па с
-  коэффициент кинематической вязкости среды, м2/с
-  коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 • К)
-  коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 • К)
-  коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К)
-  средний коэффициент теплопроводности, Вт/(м ■ К)
-  приведенный коэффициент лучеиспускания, Вт/(м2 • К4)
-  степень черноты
-  теплоемкость, Дж/(кг ■ К)
-  изобарная удельная теплоемкость среды, Дж/(кг • К)
-  давление среды, Па

С V 
Ср р

т
М
G

i
Р
а

g

j
R
R,

Рэ
AU
|iio = 4л-1(Г 
Уэ = 1/p

Я-в
/

R
Ar
Bi
Eu
Fo
Fr
Gr
Ко
Nu
Pe
Pr
Re
Sh
St

-  изохорная удельная теплоемкость, Дж/(м3 • К)
-  масса, кг
-  масса моля газа, кг/моль
-  расход среды, участвующей в теплообмене, кг/с
-  энтальпия, Дж/кг
-  плотность, кг/м3
-  коэффициент температуропроводности, м2/с
-  ускорение свободного падения, м/с2
-  плотность тока, А/м2
-  термическое сопротивление, (м2 • К)/Вт
-  электрическое сопротивление, Ом
-  активная мощность, Вт
-  удельное электросопротивление, Ом • м
-  изменение внутренней энергии в единицу времени, Вт
-  магнитная постоянная, Гн/м
-  удельная электропроводимость, (Ом ■ м)~'
-  активная составляющая вектора Пойнтинга, Вт/м2
-  постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м4 ■ В4)
-  длина волны излучения, м
-  частота волны излучения, Гц
-  скорость распространения волны излучения, м/с
-  универсальная газовая постоянная
-  критерий (число) Архимеда
-  критерий (число) Био
-  критерий (число) Эйлера
-  критерий (число) Фурье
-  критерий (число) Фруда
-  критерий (число) Грасгофа
-  критерий (число) Коссовича
-  критерий (число) Нуссельта
-  критерий (число) Пекле
-  критерий (число) Прандтля
-  критерий (число) Рейнольдса
-  критерий (число) Струхаля
-  критерий (число) Стэнтона

ВВЕДЕНИЕ

При изучении основ теории теплопередачи следует понимать, что 
не существует теории теплопередачи для различных областей физики, 
техники. Теплопередача проявляется не только в теплотехнических 
установках, но и в устройствах для выработки, передачи и распределения энергии, технических системах преобразования конкретного вида 
энергии в другие виды энергии, в том числе в энергетических, электромеханических, электротехнологических и других устройствах.

Теплопередачей называют самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным полем температуры. При этом теплота рассматривается как характеристика процесса теплообмена, измеряемая количеством энергии, которую получает 
или отдает в процессе теплообмена рассматриваемое тело или система 
тел. Теплообмен может осуществляться за счет теплопроводности, 
конвекции и излучения.

Теплопроводностью называют теплообмен, при котором перенос 
энергии в форме теплоты в неравномерно нагретой среде имеет атомно-молекулярный характер и не связан с макроскопическим движением среды. В газах перенос энергии осуществляется хаотически движущимися молекулами, 
в металлах -  в основном электронами 
проводимости, в диэлектриках -  за счет связанных колебаний частиц.

Конвекция происходит в виде перемещения макроскопических 
частей среды, приводящего к теплообмену и массообмену в неравномерно нагретой жидкой или газообразной среде. Количественно процесс определяется для сплошной среды интенсивностью движения 
этой среды и ее теплопроводностью. В зависимости от характера движения среды и ее физических свойств различают конвективный теплообмен при естественной (свободной) конвекции, когда движение среды обусловлено только действием силы тяжести на неравномерно 
нагретую и, следовательно, на неоднородную по плотности среду, и при 
вынужденной конвекции, когда движение среды вызывается дополнительным силовым воздействием на нее (увеличение скорости переме

щения среды, например, от вентилятора) или перемещением тела относительно среды (например, ротор электродвигателя).

Теплообменом излучения называют теплообмен между телами, 
происходящий за счет испускания или поглощения ими электромагнитного излучения. Теплообмен излучением может происходить в отличие от теплопроводности и конвекции при отсутствии промежуточной среды. Если среда существует, то теплообмен излучением 
сопровождается конвекцией и теплопроводностью. Электромагнитное 
излучение возникает за счет внутренней энергии тела и определяется 
его термодинамической температурой и оптическими свойствами.

Приложение основных теоретических законов теплопередачи к реальным техническим решениям входит в общее понятие технической 
теплотехники, которая по своим методам является математической, а 
по содержанию -  физической наукой. При изложении материала в 
учебном пособии не делается попыток найти общие решения, определяющие поведение даже сравнительно простых технических систем. 
Точный и всеобъемлющий учет всех возможных явлений и взаимосвязей сделал бы неразрешимыми и малопонятными даже самые простые 
задачи. Одной из задач изучения теплопередачи является выработка 
навыков выделения, обоснования и учета главных процессов, определяющих теплообмен, пренебрегая побочными, несущественными обстоятельствами. Поскольку в реальных установках виды теплообмена 
теплопроводностью, конвекцией и излучением существуют одновременно и влияют друг на друга через температурные характеристики, во 
всех случаях необходимо решать сопряженные задачи теплопередачи. 
Расчетные соотношения и уравнения, точно описывающие сопряженные задачи, столь сложны, что практически всегда приходится идти по 
пути выполнения приближенных расчетов.

Для того чтобы уяснить, какие приближения возможны и целесообразны, а какие не имеют физического смысла, приходится исходить из 
имеющихся опытных данных и проверенных опытом методов расчетов. 
Например, известно, что в низкотемпературном диапазоне при атмосферном давлении теплообмен излучением существует, но его интенсивность составляет небольшую величину по сравнению с естественной 
или вынужденной конвекцией. Поэтому в сложившейся практике теплотехнических расчетов эта составляющая теплообмена без проведения 
специальных расчетов включается как часть в рассчитываемый эффективный коэффициент теплоотдачи конвективной теплопередачи.

Одной из конечных целей изучения теории теплопередачи является 
математическое моделирование реальных процессов теплообмена. 
Здесь под математической моделью будем понимать аналитические 
выражения или математическое описание объекта, ориентированное на 
использование ЭВМ и позволяющее в явном виде находить интересующие параметры технического устройства. Ими могут быть как интегральные показатели (протяженность геометрических размеров, напряжения и токи, газовые потоки), так и распределенные параметры 
(поля температуры, плотность внутренних источников тепла, удельной 
мощности и т.д.).

В общем случае любая теплотехническая система описывается 
взаимосвязанными уравнениями, характеризующими систему введения 
энергии и теплопередачу в этой системе с нелинейными коэффициентами. Нелинейности в тепловых уравнениях связаны с зависимостью 
теплофизических свойств тел и сред от температуры, а в электромагнитных процессах -  зависимостью электрофизических свойств опять 
же от температуры и только в некоторых случаях от напряженности 
магнитного поля.

Взаимная связь теплового поля с электромагнитным в электротехнических устройствах любого типа определяется тем, что источники 
тепла рассчитываются из решения электромагнитной задачи, а температура зависит от теплоемкости и внешних характеристик теплообмена. В то же время электропроводность у, диэлектрическая е и магнитная ц проницаемости, а также тангенс угла потерь tg5 в диэлектриках 
зависят от температуры. Эти зависимости могут иметь как гладкий 
(например, у, е , tg8 = /(/), Ц = /(Я )), так и скачкообразный (с разрывом) характер (например, зависимость теплоемкости с от температуры 
в точках фазовых превращений и ц = /(Г ) вблизи точки Кюри). Важно 
понимать, что все воздействия на внутреннюю энергию тел электромагнитным полем проявляются через изменение электро- и теплофизических коэффициентов в уравнениях математических моделей при 
изменениях температуры (кроме зависимости ц = / (Я )).

Теплопередача осуществляется различными процессами теплопереноса. Парогенерирующие трубы котельного агрегата, например, получают теплоту от продуктов сгорания топлива в результате радиационноконвективного теплообмена. Через слой наружного загрязнения, металлическую стенку и слой накипи теплота передается теплопроводностью.

От внутренней поверхности трубы к омывающей ее жидкости теплота 
переносится конвективным теплообменом (теплопередачей).

Процессы теплообмена могут происходить в чистых веществах и в 
разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния 
рабочих сред и т.д. В зависимости от этого теплообмен протекает по- 
разному и описывается различными уравнениями.

Многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом 
вещества. Например, при испарении воды в воздух помимо теплообмена имеет место и перенос образовавшегося пара в паровоздушной 
смеси. В общем случае перенос пара осуществляется как молекулярным, так и конвективным путем. Совместный молекулярный и конвективный перенос массы называют конвективным массообменом. В этом 
случае процесс теплообмена усложняется. Теплота дополнительно может переноситься вместе с массой диффундирующих веществ.

В общем случае перенос теплоты в смеси различных веществ может быть вызван неоднородным распределением других физических 
величин, помимо температуры. Например, разность концентрации 
компонентов смеси приводит к дополнительному молекулярному переносу теплоты (диффузионный термоэффект).

При теоретическом исследовании теплообмена приходится вводить 
некоторые модельные представления о среде, в которой происходят 
изучаемые процессы. Так газы, жидкости и твердые тела в книге в подавляющем большинстве случаев считаются сплошной средой, т.е. 
средой, при рассмотрении которой допустимо пренебречь ее дискретным строением.

Различают однородные и неоднородные сплошные среды. В первых 
физические свойства в различных точках одинаковы при одинаковых 
температуре и давлении, в неоднородных средах различны. Различают 
также изотропные и анизотропные сплошные среды. Наиболее изучен и 
часто встречается на практике теплообмен в изотропных средах.

Сплошная среда может быть однофазной и многофазной. В однофазной среде, состоящей из чистого вещества или из смеси веществ, 
свойства изменяются в пространстве непрерывно. В многофазной среде, состоящей из однофазных частей, на границах раздела свойства 
изменяются скачками. Теплообмен в однофазных и многофазных системах протекает по-разному.

Изучение как простых, так и более сложных процессов переноса 
теплоты в различных средах и является задачей курса теплопередачи.