Основы теплообмена

В промышленности широко используют тепловые процессы в различных установках и аппаратах. К ним относятся котельные установки, отопительные приборы зданий и пассажирских вагонов, промывочно-пропарочные станции, пескосушилки, установки кондиционирования воздуха, рефрижераторные установки, устройства приготовления охлаждающей воды для тепловозных дизелей, а также дистиллята для аккумуляторных батарей и др.

Повышение экономической эффективности отмеченных теплогенерирующих и теплопотребляющих установок связано с вопросами интенсификации теплообмена, улучшения свойств теплопроводящих и теплоизоляционных материалов и теплоносителей, выбора рациональной конструкции теплообменных аппаратов. В основе решения этих вопросов лежит учение о теплообмене.

Под теплообменом понимают перенос тепла от одних частей системы к другим при наличии разности температур между ними. В реальных установках теплообмен является сложным процессом. Например, в топках котлоагрегатов тепловая энергия от горячих газов и факела сначала передается к внешней поверхности труб, затем проходит через стенку трубы и только после этого передается воде, циркулирующей в трубах. По пути теплопереноса от газов к воде имеется несколько участков, на которых протекание процессов осуществляется по различным физическим закономерностям. Обычно рассматриваются три основных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекция и из-лучение.

Теплопроводность осуществляется за счет обмена энергии непрерывно движущихся микрочастиц вещества (молекул, атомов, электронов). Частицы более нагретой зоны тела, обладающие большей энергией, передают в контактных взаимодействиях некоторую ее долю частицам с меньшей энергией, таким образом, зона прогрева распространяется внутри тела. При поддержании разности температур на границах тела указанный механизм переноса тепла обеспечивает осуществление непрерывного теплового потока через тело в направлении от большего температурного потенциала к меньшему.

Конвекция происходит в жидкостях и газах за счет перемешивания неравномерно нагретых масс движущейся среды. Чем больше скорость движения, тем интенсивнее конвективный перенос тепла. Как правило, конвекция сопровождается теплопроводностью вследствие контакта частиц с разной температурой. Это явление называется конвективным теплообменом.

Теплообмен излучением представляет собой трехстадийный процесс: испускание лучистой энергии нагретым телом, распространение ее в пространстве в виде электромагнитных колебаний и поглощение ее телами, имеющими меньшую температуру. Обмен лучистой энергией между твердыми телами осуществляется на поверхностях тел, а газы излучают и поглощают энергию всем объемом.

Температурным полем называется совокупность значений температуры t во всех точках тела в данный момент времени:

t = (x, y, z, τ), (5.207)

где x, y, z  пространственные координаты; τ  время.

Уравнение (5.1) описывает трехмерное нестационарное температурное поле, т. е. температура изменяется по всем направлениям и во времени. Это характерно для режимов прогрева или охлаждения тел.

В случае, когда распространение температуры в теле не изменяется во времени, температурное поле называется стационарным:

t = (x, y, z). (5.208)

Если значение температуры изменяется в плоскости, то поле называется двухмерным:

t = (x, y), (5.209)

а если только в одном направлении  одномерным:

t = (x). (5.210)

Изотермическая поверхность  это геометрическое место точек равных температур. Изотермические поверхности не пересекаются между собой, они замыкаются сами на себя или обрываются на границах тела. Изменение температуры в пространстве возможно в направлениях, пересекающих изотермические поверхности. Скорость изменения температуры t по нормали n к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры:

grad t = dt / dn. (5.211)

Градиент температуры есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры.

Количество тепла, передаваемого через изотермическую поверхность площадью F в единицу времени, называется тепловым потоком Q, Дж/с или Вт. Тепловой поток, отнесенный к единице площади поверхности, называется удельным тепловым потоком q = Q / F, Вт/м².