Термодинаміка і теплові процеси зварювання

За природою виникнення розрізняють два види конвекції – вільну, що виникає під час руху рідини під дією неоднорідного поля гравітаційних (або електромагнітних) сил, та вимушену, під час руху рідини під дією зовнішніх сил, прикладених на границях або за рахунок кінетичної енергії рідини, отриманої поза системою.

Розрізняють ламінарний і турбулентний режими руху рідини. Під час ламінарного руху окремі частинки і шари рідини рухаються паралельно один до одного, не перемішуючись. У такому режимі перенесення теплоти від одного шару рідини до іншого відбувається тільки теплопровідністю. Під час турбулентного режиму окремі частини і шари рідини рухаються безладно (хаотично) з утворенням вихрів. Але на кордоні рідини і стінки зберігається тонкий ламінарний шар рідини. У турбулентній частині потоку теплота передається як конвекцією, так і теплопровідністю. Цей шар має великий термічний опір (у порівнянні з турбулентною частиною потоку) і в ньому відбувається найбільше падіння температури.

Для визначення коефіцієнтів тепловіддачі в інженерних розрахунках звичайно використовують критеріальні залежності (рівняння подібності), одержані з досвіду на основі теорії подібності. Ці рівняння характеризують функціональну залежність між безрозмірними критеріями подібності, що являють собою нові змінні, уведення яких значно зменшує кількість величин у функціональній залежності. Найбільше застосування в розрахункових рівняннях конвективного теплообміну одержали наступні безрозмірні комплекси або критерії подібності.

Критерій Нуссельта або критерій тепловіддачі, характеризує співвідношення теплових потоків, що передаються конвекцією і теплопровідністю по нормалі через пристінний шар

Критерій Рейнольдса – критерій гідродинамічної подібності, характеризується співвідношенням сил інерції і молекулярного тертя (в’язкості)

За числовим значенням критерію   зважують на режим руху рідини в трубах круглого перерізу:   – рух рідини ламінарний;  - рух рідини розвинутий турбулентний;  - рух рідини перехідний, тобто за своїм характером нестійкий.

Критерій Прандтля характеризує фізичні властивості рідини їх вплив на колективний теплообмін

Критерій Прандтля визначає подібність температурних швидкісних полів в потоці рідини (під час  =1 поля температур і швидкостей течії точно подібні). Для газів критерій   залежить від їх атомності: для одноатомних  ; двоатомних   і багатоатомних  .

Критерій Пекле – критерій конвективного теплообміну характеризує відношення густини теплового потоку, що передається конвекцією, до густини теплового потоку, що передається теплопровідністю,

Критерій Галілея характеризує співвідношення сил тяжіння, інерції та тертя у потоці

Критерій Грасгофа характеризує співвідношення підйомної сили, що виникає внаслідок різниці густини нагрітих і холодних частинок рідини, і сили молекулярного тертя:

Критерій фазового переходу

У формулах (2. 33) – (2. 39) прийнято такі позначення величин:

l – визначальний розмір, м;

w – швидкість руху робочої рідини, м/с;  ,

де G – витрата рідини (м3/с), F – площа перерізу труби (м2) ;

g – прискорення сили тяжіння, м/с2;

μ – коефіцієнт динамічної в’язкості, Н•с/м2;

ν – коефіцієнт кінематичної в’язкості, м2/с;

λ – теплопровідність, Вт/ (м•К) ;

Ср – питома теплоємність, Дж/ (кг•К) ;

а – коефіцієнт температуропровідності, м2/с;

β – об’ємний коефіцієнт термічного розширення, 1/К;

σ – коефіцієнт поверхневого натягу, Н/м;

r – питома теплота фазового переходу, Дж/кг;

Δt = tc – tp – різниця температур стінки і рідини (або навпаки), К, оС.

 

 

Сталий конвективний теплообмін у загальному випадку описується наступним рівнянням подібності (крапельні рідини) :

Для конкретних умов конвективного теплообміну рівняння (6. 10) інколи можна спростити. Під час вимушеного турбулентного руху можна нехтувати впливом вільного руху, тоді із аргументів випадає Gr і рівняння подібності (6. 10) приймає вигляд

Під час чистого вільного руху в числі аргументів не буде критерію Re і тоді рівняння подібності запишеться так:

У тому випадку, коли робочим середовищем є газ, може бути відсутнім критерій Pr, оскільки він має постійне значення для газів однакової атомності і рівняння подібності (2. 41) і (2. 42) набувають ще більш простий вигляд:

Введення множника   у рівняння подібності для крапельних рідин дає можливість використовувати ці рівняння під час будь-якого направлення теплового потоку (від стінки до середовища і навпаки) і врахувати зміну фізичних властивостей середовища. Для газів цей множник не має сили. Індекси «р» і «с» означають, що теплофізичні параметри рідини необхідно вибирати з таблиць за її середньою температурою і відповідно за середньою температурою стінки.

 

 

 

Випромінення являє собою процес поширення внутрішньої енергії випромінюючого тіла електромагнітними хвилями.

Електромагнітні хвилі – це електромагнітні збурення, які виходять від випромінюючого тіла і поширюються в вакуумі із швидкістю світла   = 3∙108  . Збудниками збурень є заряджені частини, які містяться в речовині. Залежно від довжини хвилі і джерел випромінення розрізняють такі види електромагнітного випромінення: космічне,  -випромінення, рентгенівське, ультрафіолетова, видиме, теплове, радіохвилі. Теплове випромінення характеризується довжиною хвилі   . Основним характеристиками теплового випромінення є: променистий потік  , густина (енергія) випромінення   і інтенсивність (спектральна густина) випромінення  .

Потоком монохроматичного випромінення   називається кількість