Теплообменом называется перенос тепла от одних тел к другим или одних частей тела к другим, вызываемый разностью температур. Процесс теплообмена – это сложный процесс, он связан с конвективной и молекулярной диффузией и определяется законами аэродинамики, газодинамики, термодинамики, передачи энергии в форме теплоты, передачи лучистой энергии и превращением ее в теплоту и наоборот.
Теплообмен характеризуется выравниванием температуры и осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией, излучением.
Теплопроводность – это передача тепла молекулярной диффузией, т.е. перенос тепловой энергии осуществляется от частиц обладающих большей энергией к частицам с меньшей энергией. Теплопроводность наблюдается только в твердых телах и неподвижных слоях жидкости или газа.
Конвекция – передача тепла потоками жидкости или газа из одной области пространства в другую. Конвекция бывает свободной и вынужденной.
Свободная конвенция возникает из-за разности плотностей нагретой и холодной среды. При вынужденной конвенции движущиеся потоки создаются принудительно – компрессором, вентилятором и т.д.
|
|
Конвекция сопровождается переносом тепла теплопроводностью в пограничных слоях. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом.
Излучение – это передача тепловой энергии путем электромагнитных колебаний. Процесс передачи тепла излучением можно условно разделить на 3 этапа:
1. Преобразование внутренней энергии системы в энергию электромагнитных волн;
2. Распространение этих волн в среде, разделяющей источник и приемник.
3.Реакция приемника на излучение.
В реальных условиях названные способы переноса тепла протекают одновременно: такое физическое явление называется сложным теплообменом. Его закономерности могут быть установлены на основе закономерностей простых видов теплообмена.
Тепловой поток – это количество тепловой энергии, которая передается через произвольную поверхность в единицу времени:
, (2.1)
Удельный тепловой поток – это количество тепловой энергии, которая передается через 1 м2 поверхности за единицу времени:
, (2.2)
где F – площадь поверхности, м2; Ф – тепловой поток, Вт
. 2.2 Теплопроводность
Если выделить в теле слой толщиной dх, то через площадку dF, нормальную к направлению теплового потока, за время пройдет количество теплоты, равное
, (2.3)
где – коэффициент теплопроводности, Вт/м·К ;
– разность температур в слое, К;
– толщина слоя, м;
– время, с;
dF - площадь, м2.
Дифференциальная зависимость (2.3) называется основным уравнением теплопроводности или уравнением Фурье
|
|
Рис. 2.1 Схема переноса тепла через плоскую однородную
стенку.
Величина показывает изменение температуры в слое и называется градиентом температур. Распространение тепла в теле происходит лишь в сторону понижения температуры, поэтому величина отрицательна, на что показывает знак минус в уравнении Фурье.