3.6. Теплоперенос посредством теплоносителя

Рассмотрим течение жидкости в нагретой трубе.

Рис.3.3. Течение в трубе при наличии теплопровода. К жидкости подводится в единицу времени количество тепла, равное Р_m = m′*c*(T₃ – T₁), при этом сам процесс переноса тепла от стенки трубы в жидкость (2) не рассматривается. Количество тепла, выносимого жидкостью в единицу времени, равно

Р_m = m′*c*(Т₃ – Т₁), (3.29)

где m′ – массовый расход жидкости в трубе, кг/с, а Т₁ и Т₃ – температуры жидкости в начальном и конечном сечении контрольного объёма. Термическое сопротивление этого процесса определяется выражением:

R_m = (T₃ – T₁)/P_m = 1/m′*c (3.30)

Количество тепла Р_m, передаваемого трубой жидкости, зависит от её скорости, т.е. от расхода. Поэтому температура Т₃ не является независимой переменной, как в случае теплопроводности, излучения и свободной конвекции.

Теплоперенос при наличии фазовых превращений в теплоносителе.

Наиболее эффективен теплоперенос, в котором участвует скрытая теплота испарения или конденсации. Например, скрытая теплота испарения 1кг Н₂О – 2.4МДж, что гораздо больше, чем требуется для нагрева 1кг Н₂О на 100⁰С – 0,42МДж. При испарении и конденсации выделяется тепло. Тепловая энергия, переносимая в единицу времени:

Р_m = m′*L, (3.31)

где m′ – массовая скорость испарения или конденсации жидкости;

М - скрытая теплота испарения.

Теоретическое определение скорости испарения очень сложно, т.к. этот процесс зависит от многих факторов: плотность, вязкость, теплоёмкость и теплопроводность жидкости и пара, скрытая теплота фазового перехода, разность температур и давлений, размер и форма поверхностей, их способность создавать центры конденсации.

Термическое сопротивление этого процесса:

R_m = (T₁ – T₂ )/m′*М, (3.32)

3.7. Смешанный теплоперенос и его тепловая цепь

При анализе процессов теплопереноса используется метод тепловых цепей с параллельным, последовательным и комбинированным соединением термических сопротивлений.

Теплоёмкость. Тепловая энергия может накапливаться в различных телах точно также, как электрическая в конденсаторах. Рассмотрим ёмкость с горячей водой, окружённую средой с температурой Т_с. Тепловой поток от ёмкости в окружающую среду определяется уравнением:

- m*c*(d/dt)*(T₁ – T_с) = (T₁ – T_с)/R_1,с , (3.33)

где знак (-) означает, что Т₁ уменьшается, eсли (Т₁ – Т_с) положительна: R_1,с - результирующее термическое сопротивление тепловому потоку, включающее конвекцию, излучение и теплопроводность.

4. Солнечное излучение

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Использование всего лишь 0,0125%

Этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу. Однако, препятствием этому является низкая эффективность солнечного излучения. Наибольшая плотность солнечного излучения в коротковолновом диапазоне с длиной волны 0,3-2,5мкм составляет примерно 1кВт/м² и включает видимый спектр.

Для различных районов в зависимости от места, времени суток, и погоды потоки солнечной энергии, достигающие Земли, меняются от 3 до 30 МДж/м² в день. Особенно привлекательны южные районы Сибири и Дальнего Востока.