1. Теплообмен

1.1. Основные понятия теплообмена

Инженеру надо решать две задачи:

• уменьшить количество теплоты, отданное от одного теплоносителя другому (теплосети, нефтепроводы);

• увеличить количество теплоты, отдаваемое от горячего теплоносителя – холодному за счёт интенсификации её передачи (теплообменные аппараты).

Основные способы переноса теплоты

Различают три основных способа переноса теплоты:

• теплопроводность;

• конвекция;

• тепловое излучение.

Теплопроводность – способ переноса теплоты между непосредственно соприкасающимися частями тела, обусловленный тепловым движением и энергетическим взаимодействием структурных частиц вещества (молекул, ионов, атомов, электронов).

Теплопроводность характерна для неподвижной среды, твёрдых тел.

Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении объёмов жидкости и газа в пространстве из одной области в другую; происходит только в подвижной среде и связан с переносом вещества за счёт внутренних сил (разности плотностей в различных областях, которая обусловлена разностью температур и концентраций).

Конвекция за счёт внутренних сил называется свободной (естественной), а за счёт внешних сил или за счёт сообщения кинетической энергии вне системы – называется вынужденной.

Тепловое излучение – процесс переноса теплоты электромагнитными волнами (фотонами) по схеме:

U₁ → излучение → U₂,

где U₁ и U₂ – внутренняя энергия первого и второго тела.

Чаще всего встречается сочетание различных способов переноса теплоты – это сложный теплообмен.

Виды сложного теплообмена

Теплоотдача – это процесс переноса теплоты между жидкостью (газом) и омываемой ею поверхностью стенки.

Таким образом, теплоотдача – это конвекция + теплопроводность, или конвективный теплообмен (КТО).

Теплопередача – это процесс переноса теплоты от одной жидкости к другой через разделяющую их стенку.

Рис. 1.1. Теплопередача через газовую прослойку (без излучения):

α – коэффициент теплоотдачи; λ – коэффициент теплопроводности;

k – коэффициент теплопередачи

Лучисто-конвективный теплообмен – это теплоотдача + тепловое излучение.

Процесс теплопроводности обусловливает распределение температуры внутри тела, он связан с температурным полем и градиентом температур.

Температурное поле – это совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени.

f , (1.1)

где t – температура;

x, y, z – пространственные координаты;

τ – время.

Температурное поле, описываемое уравнением (1.1), является трёхмерным нестационарным.

Если , то поле стационарное. Например, f – одномерное стационарное поле, для которого .

Изотермическая поверхность – это геометрическое место точек с одинаковой температурой.

Рис. 1.2. Температурное поле

Изотермические поверхности не пересекаются. Изменение температуры происходит при пересечении изотермических поверхностей.

Максимальное изменение температуры на единицу длины происходит по нормали к изотермической поверхности.

Градиент температур – это вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры.

Градиент температурного поля определяется как:

, (1.2)

где – изменение температуры, ;

– изменение длины нормали, .

.

Проекции градиента на координатные оси:

(1.3)

Тепловой поток – это количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени:

, (1.4)

где – количество теплоты, Дж;

τ – время, с.

[Q] = Дж/с .

Тепловой поток, отнесённый к единице площади изотермической поверхности, называется поверхностной плотностью теплового потока.

, (1.5)

где F – площадь поверхности, м².

[q] =Вт/м².

Вектор направлен по нормали к изотермической поверхности противоположно градиенту температур, т.е. в сторону уменьшения температуры.

Очевидно, что в общем случае:

. (1.6)