Различают три принципиально отличающиеся способа переноса тепла

- теплопроводность;

- конвекция;

- излучение.

Теплопроводность – перенос тепла, обусловленный тепловым движением микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это может быть движение свободных электронов в металле, движение молекул в капельных жидкостях и газах, колебания ионов в кристаллической решетке твердых тел.

Величину теплового потока , возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных точках тела, можно определить по уравнению Фурье

, Вт.                                       (5.1)

Закон Фурье читается следующим образом:

количество тепла, передаваемое в единицу времени, путем теплопроводности через поверхность F, прямо пропорционально величине поверхности и градиенту температуры .

В уравнении (5.1)  - коэффициент теплопроводности, размерность которого

Коэффициент теплопроводности показывает количество теплоты, проходящей вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при изменении температуры на один градус на единице длины нормали к изотермической поверхности.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность тела проводить теплоту и зависит от природы вещества, структуры, температуры и других факторов.

Наибольшее значение  имеют металлы, наименьшее – газы. Жидкости занимают промежуточное положение между металлами и газами. В расчетах значение коэффициента теплопроводности определяется при средней температуре тела по справочной литературе.

Конвекция – перенос тепла, обусловленный движением и перемешиванием макроколичеств газа и жидкости.

Различают свободную (или естественную) и вынужденную конвекцию.

Свободная (естественная) конвекция обусловлена движением макроколичеств газа или жидкости вследствие разности плотностей в разных точках потока, имеющих различную температуру.

При вынужденной (принудительной) конвекции движение потока газа или жидкости происходит вследствие затраты энергии извне с помощью газодувки, насоса, мешалки и т.п.

Уравнение Ньютона позволяет количественно описать конвективный теплообмен

, Вт.                                (5.2)

В соответствии с законом Ньютона:

количество тепла в единицу времени, передаваемое из ядра потока, имеющего температуру  к стенке поверхностью F, имеющую температуру , (или наоборот) прямо пропорционально величине поверхности и разности температур.

В уравнении Ньютона (5.2) коэффициент пропорциональности  называется коэффициентом теплоотдачи, а уравнение (5.2) – уравнением теплоотдачи.

Размерность коэффициента теплоотдачи

.

Коэффициент теплоотдачи показывает количество теплоты, отдается от теплоносителя к 1 м  поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м  к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1 градус.

Коэффициент теплоотдачи  характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе и зависит от многих факторов: гидродинамического режима движения и физических свойств теплоносителя (вязкость, плотность, теплопроводность и т.д.), геометрических параметров каналов (диаметр, длина), состояния поверхности стенок (шероховатая, гладкая).

Коэффициент  можно определить экспериментальным путем либо расчетным по обобщенному критериальному уравнению, которое можно получить путем подобного преобразования дифференциального уравнения конвективного теплообмена.

Критериальное уравнение теплоотдачи для неустановившегося процесса имеет вид:

.                                   (5.3)

В уравнении (5.3)

 - критерий Нуссельта. Характеризует отношение переноса теплоты конвекцией к теплоте, передаваемой теплопроводностью (  - определяющий геометрический размер; для потока, движущегося в трубе  - диаметр трубы);

 - критерий Рейнольдса;

 - критерий Прандтля. Характеризует подобие физических свойств теплоносителей (здесь  - удельная теплоемкость теплоносителя, ). Для газов 1; для жидкостей 10…100;

 - критерий Фруда (мера отношения сил инерции в потоке к силе тяжести);

 - критерий гомохронности (мера отношения пути, пройденного потоком со скоростью  за время , к характерному размеру l)

Для установившегося процесса теплообмена ( =0) критериальное уравнение теплоотдачи имеет вид

.                                       (5.4)

При вынужденной теплоотдаче (например, при напорном движении теплоносителя по трубам) влиянием силы тяжести можно пренебречь ( =0). Тогда

.                                         (5.5)

или в виде степенной зависимости

,                                         (5.6)

где  - определяются экспериментальным путем.

Так, для вынужденного движения теплоносителя внутри труб уравнение (5.6) имеет вид

- при турбулентном режиме ( )

.                                    (5.7)

В случае значительного изменения физических свойств теплоносителей в процессе теплообмена используется уравнение

,                         (5.8)

где  - критерий Прандтля теплоносителя, физические свойства которого определяются при температуре ;

- при переходном режиме ( )

;                                 (5.9)

- при ламинарном режиме ( )

,                (5.10)

где  - критерий Грасгофа, учитывающий влияние на теплоотдачу свободной конвекции;

 - коэффициент объемного расширения, град ;

 - разность между температурами стенки и теплоносителя.

Схема расчета коэффициента теплоотдачи

- определяется гидродинамический режим движения теплоносителя (Re);

- выбирается расчетное уравнение для определения критерия Нуссельта (уравнения 5.7-5.10);

- определяется коэффициент теплоотдачи по формуле

.                                              (5.11)

Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний различной длиной волны, обусловленных тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.