Поверхностная теплоотдача
С поверхности тел в окружающую среду (и наоборот) теплота передается путем конвективного или лучистого теплообмена. Указанные процессы играют важную роль при сварке: в конечном итоге вся теплота, введенная при сварке, отдается в окружающее пространство, и тела остывают.
При конвективном теплообмене теплота с поверхности тела уносится окружающей средой (жидкостью или газом), которая перемещается относительно поверхности тела вследствие различной плотности или принудительной циркуляции. Приближенно удельный тепловой поток при конвективном теплообмене определяется по правилу Ньютона:
Я2к = ак(Т ~ТС), (5-6)
где ак - коэффициент конвективной теплоотдачи; Т - температура поверхности тела; Тс - температура окружающей среды (жидкости или газа).
Коэффициент ак может изменяться в широких пределах в зависимости от свойств окружающей среды (теплопроводности, плотности, вязкости) и характера ее движения относительно поверхности тела, от физических свойств поверхности, отдающей теплоту, ее формы и положения в пространстве, от соотношения температур поверхности тела и среды.
При лучистом теплообмене удельный тепловой поток с поверхности тела согласно закону Стефана - Больцмана пропорцио
нален четвертой степени абсолютной температуры тела:
TOC o "1-5" h z qlr=CqT (5.7)
Коэффициент Cq зависит от степени черноты тела є:
Cq=eC0. (5.8)
Для абсолютно черного тела в = 1, a Cq равен постоянной Стефа-
-12 2 4
на - Больцмана Со = 5,67 ■ 10 Вт/(см • К ). Большинство встречающихся в технике тел можно рассматривать как серые тела, у которых є < 1. Значение в зависит от природы тела, характера поверхности и от температуры. Например, у окисленных шероховатых поверхностей сталей є изменяется от 0,6 до 0,95; у алюминия - от 0,05 до 0,2.
В реальных условиях нагретое тело окружено другими телами и между ними происходит лучистый теплообмен. Каждое тело излучает энергию и воспринимает часть энергии, излучаемой другими телами, т. е.
|
а, мВт/(см2К) Рис. 5.4. Коэффициенты полной теплоотдачи а и лучистого теплообмена аг вертикальных листов углеродистой стали в зависимости от их температуры Т при Тс = 273 К |
q2r=eC0(T4-T4), (5.9)
где Т - температура тела; Тс - тем - лература среды. После раскрытия скобок в выражении (5.9) первый член выражает удельный тепловой поток, излучаемый телом, второй - поглощаемый им.
По аналогии с выражением (5.6) можно связать удельный тепловой поток лучистого теплообмена с разностью температур (Т - Тс) соотношением
q2r=ar(T-Tc (5.10)
где аг - коэффициент лучистого теплообмена (рис. 5.4). Тогда удельный тепловой поток полной тепло
отдачи можно представить как сумму удельных тепловых потоков при конвективном и лучистом теплообмене, т. е.
<72 =ак(Т-Тс) + аг(Т-Тс) = а(Т-Тс), (5.11)
где а - коэффициент полной поверхностной теплоотдачи, который значительно изменяется с ростом температуры поверхности тела.
При низких температурах основная часть теплоты с поверхности тела отдается в окружающую среду конвективным теплообменом, а при более высоких температурах - лучистым теплообменом.
