Теплообмен

Список используемой литературы

1) https://gendocs.ru/v38576/%D0%B8%D1%81%D1%81%D0%BB%D0%B5%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%81%D0%B2%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2_%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%85%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D1%85_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%B2_%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%B8_%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85

2) https://enregro.eu/ru/encziklopediya/protocol-123/888/metod-kodirovaniya-rechevyix-signalov

3) https://www.eparh-chb.ru/radiosvyaz-radioveshchanie-televidenie-str362.html

4) https://bibliofond.ru/view.aspx?id=539017

Самопроизвольный необратимый процесс передачи теплоты внутри термодинамических систем или между термодинамическими системами, обусловленный неоднородным распределением температуры, называется теплообменом. Процессы передачи теплоты представляют собой процессы обмена внутренней энергией между элементами термодинамической системы или термодинамическими системами в форме теплоты. Теория теплообмена изучает процессы передачи теплоты между телами или частями тела.

Различают следующие формы передачи теплоты: теплопроводность, конвективный и лучистый теплообмен.

Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты (энергии) соприкасающимися, беспорядочно движущимися (колеблющимися) структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами). При теплопроводности тела или части тела, имеющие более высокую температуру, передают теплоту находящимся с ними в соприкосновении телам или частям тела с более низкой температурой.

В основу теории теплопроводности положен закон Фурье, который определяет, что тепловой поток прямо пропорционален температурному градиенту и площади поверхности теплообмена.

Математическое выражение закона Фурье в скалярной форме имеет следующий вид:

, (1)

где Q – тепловой поток - количество теплоты, передаваемое в единицу времени, Дж/с = Вт;
– коэффициент теплопроводности вещества, Вт/(м·К); – температурный градиент, F – площадь поверхности теплообмена, м².

Коэффициент теплопроводности вещества определяется как количество теплоты, которое передается через единичную площадь поверхности теплообмена в единицу времени при единичном значении градиента температуры.

Значение коэффициента теплопроводности чистого вещества зависит от природы вещества, давления и температуры.

Численные значения коэффициента теплопроводности чистого вещества определяются опытным путем. В практических расчетах используют значения коэффициента теплопроводности, которые приводятся в справочных таблицах.

Для многих веществ с достаточной степенью точности, можно принять линейную зависимость коэффициента теплопроводности от температуры

(2)

где – коэффициент теплопроводности при температуре ; b – постоянная, характеризующая изменение коэффициента теплопроводности вещества при повышении его температуры на 1 ⁰C.

Наихудшими проводниками теплоты являются газы, коэффициент теплопроводности для них возрастает с увеличением температуры и изменяется в пределах 0,005 – 0,5 Вт/(м·К).

Коэффициент теплопроводности жидкостей лежит в пределах 0,07 – 0,7 Вт/(м·К) и, как правило (за исключением воды и глицерина), уменьшается с увеличением температуры.

Наилучшими проводниками теплоты являются металлы, у большинства из которых коэффициент теплопроводности уменьшается с возрастанием температуры и меняется в диапазоне от до Вт/(м·К).

Для расчета значения теплового потока через однослойные стенки произвольной геометрической формы может использоваться соотношение, полученное из математического выражения закона Фурье

, (3)

где – расчетная площадь поверхности теплообмена, м² ; – толщина стенки, м.

Расчетная площадь поверхности теплообмена для стенок простейших геометрических форм определяется следующим образом:

· плоская стенка – ;

· цилиндрическая стенка – ;

· сферическая стенка – .

Тепловой поток, проходящий через многослойные криволинейные стенки, можно определить из соотношения

, (4)

где – температуры наружных поверхностей первого и i- го слоев многослойной стенки; – толщина, коэффициент теплопроводности и расчетная поверхность i -го слоя многослойной стенки.

Конвекция представляет собой перенос энергии при перемещении жидкости или газа из области с одной температурой в область с другой температурой. Передача теплоты при совместном действии конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела называется конвективной теплоотдачей, в основу теории которой положен закон Ньютона-Рихмана, который определяет, что тепловой поток Q прямо пропорционален разности температур между поверхностью твердого тела и жидкостью , площади поверхности теплообмена и коэффициенту теплоотдачи , характеризующему интенсивность конвективного теплообмена,

. (5)

Коэффициент теплоотдачи , (Вт/(м² ·К) определяет количество теплоты, которое передается через единичную площадь поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью твердого тела и жидкостью равной 1 ⁰С.

Основными факторами, оказывающими влияние на значение коэффициента теплоотдачи, являются: природа возникновения движения жидкости или газа у поверхности теплообмена, режим движения и физические свойства среды, форма, размеры, положение в пространстве и состояние поверхности теплообмена.

Свободной конвекциейназывается движение жидкости или газа, обусловленное разностью плотности нагретых и холодных слоев среды, находящихся в поле сил тяготения.

Вынужденной конвекциейназывается движение жидкости, вызванное действием внешних поверхностных сил, создаваемых работой насосов, компрессоров, ветром и т. д. В отличие от свободной, вынужденная конвекция может и не сопровождаться теплообменом (изотермическое течение). Вынужденная конвекция в общем случае может сопровождаться свободной конвекцией.

В общем случае коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообменезависит от целого ряда характеристик

(6)

где – определяющий линейный размер, м; – ускорение свободного падения, м/с²;
ρ – плотность жидкости или газа, кг/м³; – линейная скорость среды, м/с; – температурный коэффициент объемного расширения среды, К ^-1; – динамический коэффициент вязкости среды, Па·с; – коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м·К); – разность температур стенки и среды, ⁰C; – удельная изобарная теплоемкость среды, Дж/(кг·К).

Теоретическое определение коэффициента теплоотдачи конвективного теплообмена в результате решения системы дифференциальных уравнений возможно только для частных, наиболее простых случаев. На практике значения коэффициента теплоотдачи рассчитываются по уравнениям подобия конвективного теплообмена при свободной и вынужденной конвекции

(7)

где – критерий Нуссельта, характеризующий соотношение тепловых потоков, передаваемых за счет конвективного теплообмена и теплопроводности,

; (8)

– критерий Рейнольдса, характеризующий соотношение между силами инерции и молекулярного трения (вязкости), ; (9)

– критерий Прандтля, характеризуеющий физические свойства жидкости и их влияние на конвективный теплообмен,

; (10)

– критерий Грасгофа, характеризующий соотношение подъемной силы, возникшей вследствие разности плотностей неравномерно нагретых объемов среды, и силы молекулярного трения,

(11)

Безразмерные комплексы – числа или критерии подобия и структура зависимостей для определения коэффициента теплоотдачи – уравнения подобия конвективного теплообмена (7) определяются при известных дифференциальных уравнениях, описывающих рассматриваемый процесс конвективного теплообмена, на основе теории подобия или, при отсутствии дифференциальных уравнений, с использованием метода анализа размерностей. При этом, размерные физические величины, от которых зависит интенсивность процесса конвективного теплообмена, объединяются в безразмерные комплексы, которые называются числами или критериями подобия. Число безразмерных комплексов меньше числа размерных величин, что сокращает необходимый объем эксперимента.

При получении уравнений подобия конвективного теплообмена большое значение приобретают экспериментальные исследования. Целью экспериментальных исследований является определение численных значений коэффициентов в уравнениях подобия конвективного теплообмена, справедливых для групп подобных процессов.

При исследовании процессов конвективного теплообмена необходима уверенность, что результаты, полученные на моделях, могут быть использованы для расчета аналогичных реальных процессов. Эта задача также решается с помощью теории подобия, в которой сформулированы основные условия подобия процессов: подобные физические процессы имеют одинаковую природу и описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, условия однозначности подобных процессов должны быть тождественны, а безразмерные комплексы – критерии (числа) подобия имеют одинаковые численные значения.

В справочной литературе приводятся уравнения подобия для различных частных случаев конвективного теплообмена.

Тепловое излучение – процесс переноса энергии в виде электромагнитных волн. Любое тело, имеющее температуру, выше абсолютного нуля, излучает энергию. При этом внутренняя энергия тела превращается в энергию электромагнитных волн различной длины, распространяющихся в пространстве со скоростью света, которая поглощается другими телами, превращаясь при этом во внутреннюю энергию этих тел.

Процесс передачи теплоты между телами с помощью электромагнитных волн называется лучистым теплообменом.

Носителями теплового излучения являются световые (длина волны 0,4 – 0,8 мкм) и главным образом инфракрасные (длина волны 0,8 – 400 мкм) лучи.

Большая часть твердых и жидких тел имеет сплошной спектр излучения, т. е. излучает энергию во всем диапазоне длин волн, но некоторые тела (чистые металлы, газы и др.) характеризуются выборочным, селективным излучением.

Существует целый ряд законов теплового излучения:

· закон Планка, который устанавливает зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела I_Sλ от длины волны λ и температуры Т;

· закон смещения Вина, который утверждает, что длина волны, которой соответствует максимальное значение интенсивности излучения (I_sλ=max), обратно пропорциональна абсолютной температуре Т;

· закон Стефана-Больцмана, который устанавливает связь между плотностью суммарного теплового излучения абсолютно черного тела и абсолютной температурой

(15)

где σ _s, c_s – коэффициенты излучения абсолютно черного тела; σ _s = 5,67·10^-8 Вт/(м² ·K⁴);
c_s = 5,67 Вт/(м² ·K⁴).

Исходя из закона Стефана-Больцмана, плотность суммарного излучения реальных (серых) тел принято определять по следующему уравнению:

(16)

где – степенью черноты поверхности тела.

На основании законов излучения получено расчетное уравнение для расчета теплового потока при лучистом теплообмене между телом 1 и оболочкой 2

(17)

где F₁ и F₂ – площади поверхностей тел, м²; Т ₁ и Т₂ – абсолютная температура поверхностей тел, К;ε _1,2 – приведенная степень черноты тел,

(18)

На практике достаточно часто решается задача определения теплового потока, передаваемого в окружающую среду от нагретых тел в окружающую среду за счет лучистого теплообмена.

В этом случае лучистый тепловой поток можно определить по соотношению

, (19)

где F – площадь поверхности тела, м²; – средняя температура поверхности тела и окружающей среды, ;ε – степень черноты наружной поверхности тела.

В природе и технике перечисленные формы передачи теплоты обычно сопровождают друг друга, что необходимо учитывать при расчете процессов теплообмена.

К примеру, тепловой поток, передаваемый от стенки тела к жидкости или газу при совместном участии теплового излучения и конвективного теплообмена может быть определен по соотношению

, (20)

где – общий (суммарный) коэффициент теплоотдачи;– конвективная составляющая общего коэффициента теплоотдачи; – лучистая составляющая общего коэффициента теплоотдчи; – средняя разность температур между стенкой тела и средой ; – площадь поверхности теплообмена.