Тепловой поток

В расчетах теплообмена используют три удельных тепловых потока: поверхностную плотность теплового потока, линейную плотность теплового потока и объемную плотность теплового потока.

Поверхностная плотность теплового потока (обозначают: q, Вт/м²) - это тепловой поток, отнесенный к площади поверхности тела:

где F - площадь, м².

В стационарном режиме теплообмена:

откуда следует:

Q = q ⋅ F

и

Q_τ = q ⋅ F ⋅ τ.

Линейная плотность теплового потока (обозначают: q_l, Вт/м) - это тепловой поток, отнесенный к длине протяженного тела.

В стационарном режиме теплообмена:

откуда следует:

и

где τ - время, с, l - длина протяженного объекта, м.

Объемная плотность теплового потока (обозначают: q_v, Вт/м³) - это тепловой поток, отнесенный к объему тела.

В стационарном режиме теплообмена:

откуда следует:

и

где V - объем, м³.

При теплопроводности  распространение тепла происходит  вследствие теплового движения структурных частиц вещества (молекул, атомов, свободных электронов). В чистом виде теплопроводность имеет место в твердых телах и в весьма тонких неподвижных слоях жидкости или газа. Данный тип теплопередачи может быть проиллюстрирован на примере того, как мы чувствуем тепло при прикосновении пальцем к радиатору отопления. Данный процесс теплопередачи медленнее, чем процессы конвекции и излучения.

Плотность теплового потока Q в твердом теле между точками с различной температурой T₁ и T₂ подчиняется закону Фурье - основному закону теплопроводности:

или

где Q - тепловой поток, Вт, q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м², grad(T) - градиент температуры, К/м, F - площадь поверхности теплообмена, м², λ - коэффициент теплопроводности,  .

Коэффициент теплопроводности характеризует способность данного вещества проводить теплоту. Коэффициент теплопроводности определяют экспериментально и приводят в справочной литературе.

Следующим процессом распространения тепла в результате теплопроводности и непосредственного перемещения молярных (т.е. состоящих из большого количества молекул) частей среды из одной области пространства в другую является конвекция. Конвекция означает перемешивание теплых и холодных слоев газа или жидкости, что происходит, например, при омывании поверхности тела движущимся газом или жидкостью. Конвективный перенос тепла имеет место в движущихся жидкостях, газах, сыпучих телах.

Охлаждение (отвод тепла) поверхности тела газом или жидкостью описывается законом Ньютона, т.е. законом теплоотдачи:

,

где Q - тепловой поток, Вт, α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²⋅К), T_f и T_w - температуры текучей среды и стенки, °С (К); F - площадь поверхности теплообмена, м².