В электротехнической практике весьма часто приходится рассчитывать превышение температуры наружной поверхности относительно температуры жидкой или газообразной среды, омывающей нагретую поверхность. В этих случаях оказывается весьма удобной широко известная формула Ньютона
, (1.1)
где Р — мощность, отдаваемая конвекцией и лучеиспусканием окружающей среде, Вт; S — нагретая поверхность, м2;
— температура поверхности, °С;
— температура окружающей среды,
°С; — коэффициент теплоотдачи, учитывающий в общем случае отдачу тепла конвекцией и лучеиспусканием,. Вт/(м2×°С).
Коэффициент теплоотдачи численно равен мощности, отдаваемой нагретой поверхностью, площадью 1 м2, окружающей среде при разности температур между нагретой поверхностью и окружающей средой, равной 1 °С.
.
В соответствии с отмеченными факторами, от которых зависит отдача тепла конвекцией и лучеиспусканием, следует подчеркнуть, что коэффициент теплоотдачи зависит от физических постоянных (удельного веса, теплопроводности, вязкости, теплоемкости) жидкой или газообразной среды, воспринимающей тепло от нагретого тела, от формы и расположения тела в жидкой или газообразной среде, от состояния поверхностей и т. д.
Весьма простая формула (1.1) требует правильного и тщательного выбора коэффициента теплоотдачи, что возможно только при наличии надлежащего инженерного опыта по расчету нагрева и при наличии достоверных опытных данных по коэффициенту теплоотдачи.
Рис.1.2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от превышения температуры полосы над температурой окружающей среды для цилиндров диаметра 20…200мм |
На рис.1.1 представлена зависимость коэффициента теплоотдачи от превышения температуры для окрашенной металлической полосы 120х10 мм, поставленной на ребро.
Легко видеть, что кривая на рис.1.1 соответствует уравнению прямой
.
На рис. 1.2 представлены кривые зависимости коэффициента теплоотдачи от превышения температуры для цилиндрических проводников различного диаметра в предположении естественной конвекции, окрашенной поверхности и температуры окружающего воздуха u0 = 35 °С. Интересно отметить, что для цилиндров зависимости коэффициента теплоотдачи от превышения температуры приблизительно линейны и могут быть выражены уравнением
, где и берутся по табл. 1.1.
Таблица 1.1
Значения коэффициентов и
Диаметр стержня, мм |
k1 |
k2 |
Диаметр стержня, мм |
k1
|
k2 |
10 |
1,24 |
1,14 |
80 |
1,08 |
0,75 |
40 |
1,11 |
0,88 |
200 |
1,02 |
0,68 |
Все приведенные выражения для коэффициентов теплоотдачи действительны только для не изменяющихся во времени превышений температур.
В случае, когда превышение температуры поверхности изменяется во времени, для данного мгновенного превышения температуры коэффициенты теплоотдачи будут зависеть от скорости изменения во времени превышения температуры. Однако этот вопрос мало изучен, и обычно при анализе переходных процессов нагрева электрических машин и аппаратов его упрощают, принимая коэффициент теплоотдачи, в частности, постоянным в течение всего процесса нагрева, при этом за основу выводов принимают формулу (1.1). Формула (1.1)
может быть представлена в ином виде и формально имеет такой же вид, как и формула закона Ома для электрического тока. Поэтому знаменатель в этой формуле часто называют сопротивлением тепловому потоку при переходе от поверхности S к окружающей среде, при этом имеется в виду, что превышение температуры не изменяется во времени.