II.Теплопередача.

1. Виды теплообмена.

Теория теплообмена – это учение о процессах переноса теплоты в пространстве. Теплообмен является основой многих явлений, наблюдаемых в природе и технике. Целый ряд важных вопросов конструирования и создания теплообменных аппаратов химических производств, систем автоматического управления технологическими процессами в этих аппаратах решаются на основе теории теплообмена.

Явления теплообмена наблюдаются в телах или системах тел с неодинаковой температурой. Любой процесс переноса теплоты в пространстве называется теплообменом. Наблюдения за процессами распространения теплоты показали, что теплообмен – сложное явление, которое можно расчленить на ряд простых. Теплота может передаваться тремя простейшими принципиально отличными друг от друга способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества – молекулами, атомами, электронами – в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температуры, но механизм переноса тепла зависит от агрегатного состояния тела. В жидкостях и твердых телах – диэлектриках – перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседними частицами вещества.

В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения. В металлах теплопроводность осуществляется главным образом вследствие движения свободных электронов.

Примером теплопроводности может служить распространение теплоты в металлической или графитовой стенке теплообменного аппарата.

Явление конвективного переноса теплоты наблюдается лишь в жидкостях и газах. Конвективный перенос – это распространение теплоты, обусловленное перемещением макроскопических элементов среды. Объемы жидкости или газа, перемещаясь из области с большей температурой в области с меньшей температурой, переносят с собой теплоту. Конвективный перенос обычно сопровождается теплопроводностью.

Конвективный теплообмен может осуществляться в результате свободного или вынужденного движения теплоносителя. Свободное движение возникает тогда, когда частицы жидкости в различных участках системы находятся под воздействием массовых сил различной величины, т.е. когда поле массовых сил неоднородно. Если массовые силы обусловлены гравитационным полем, то в неизотермической системе неоднородность поля является следствием изменения плотности, которое и вызывает свободное движение.

Например, отопительная батарея в помещении подогревает соприкасающейся с ней воздух путем конвекции. Вес, а следовательно, и давление столба подогретого воздуха меньше, чем холодного. Под разностью этих давлений холодный воздух будет перемещаться в зону подогрева, вытесняя подогревшийся воздух. Таким образом, теплота вместе с воздухом передается от батареи в другие части помещения.

Вынужденное движение происходит под воздействием внешних сил. Разность давлений, под воздействием которой перемещается теплоноситель, создается с помощью насосов, вентиляторов и других устройств.

Теплообмен излучением (или радиационный теплообмен) состоит из испускания энергии излучения телом, распространения ее в пространстве между телами и поглощением ее другими телами. В процессе испускания внутренняя энергия излучающего тела превращается в энергию электромагнитных волн, которые распространяются во всех направлениях. Тела, расположенные на пути распространения энергии излучения, поглощают часть падающих на них электромагнитных волн, и таким образом энергия излучения превращается во внутреннюю энергию поглощающего тела.

Наблюдаемые в природе и технике явления теплообмена включают в себя обычно все элементарные способы переноса теплоты. Иногда интенсивность некоторых способов переноса теплоты невелика и ею можно пренебречь.

Рассмотрим некоторые сложные явления теплообмена, часто встречающиеся на практике.

Теплообмен между движущей средой и поверхностью какого-либо тела называется теплоотдачей. В технике наиболее часто это явление протекает в форме теплообмена жидкого или газообразного теплоносителя с поверхностью твердого тела. Через поверхность соприкосновения жидкости или газа с твердым телом теплота передается теплопроводностью.

Теплопередача – широко распространенное явление. Теплообмен между кипящей водой и стенкой химического реактора, продуктами сгорания топлива и стенками парового котла, воздухом и поверхностью отопительного элемента в помещении – все это примеры теплоотдачи.

Если теплообмен между стенкой и окружающей средой происходит одновременно путем соприкосновения (теплоотдачи) и излучения, то это явление называется радиационно-конвективным теплообменом.

Теплообмен между двумя жидкостями или газообразными средами, разделенными твердой стенкой называется теплопередачей. Перенос тепла от теплоносителя к стенке и от стенки к теплоносителю может иметь характер теплоотдачи или радиационно-конвективного теплообмена. Перенос теплоты через стенку осуществляется теплопроводностью.

Явления теплопередачи можно наблюдать в теплообменных аппаратах, в двигателях и т.п.