Механизмы переноса теплоты

Процесс переноса теплоты, происходящий между телами, име­ющими разную температуру, называется теплообменным. Тела которые участвуют в теплообмене, называются теплоносителями.

Теплообменные процессы возможны только при наличии раз­ности температур теплоносителей, т.е. разность температур — дви­жущая сила теплообмена.

Способы передачи теплоты. Различают три способа передачи теплоты (теплопередачи): теплопроводность, конвекция и тепло­передача излучением.

Теплопроводность — это процесс передачи теплоты внутри тела от одних частиц к другим вследствие их движения и соударений. Передача теплоты только теплопроводностью может происходить лишь в твердых телах. Например, наружная поверхность стакана с горячим чаем становится также горячей за счет процесса тепло­проводности внутри стенки стакана.

Конвекция — это процесс распространения теплоты в результа­те движения объемов и перемещения частиц жидкостей или газов. Примером передачи теплоты конвекцией является обогрев ком­наты радиаторной батареей. Процесс обогрева можно значитель­но интенсифицировать применением вентилятора для перемеще­ния воздуха в комнате.

Теплопередача излучением — перенос энергии, обусловленный процессами испускания, распространения и поглощения элект­ромагнитных волн. Люди, животные, растения на Земле суще­ствуют благодаря теплоте, получаемой от Солнца.

В реальных процессах все три способа теплообмена обычно со­путствуют друг другу.

В тепловых процессах, осуществляемых в теплообменном аппа­рате, происходит передача теплоты от одного теплоносителя к другому, причем эти теплоносители в большинстве случаев раз­делены стенкой.

Перенос теплоты от поверхности твердого тела к газообразной или жидкой среде (или наоборот) называется конвективной теп­лоотдачей или просто теплоотдачей.

Уравнение теплового баланса. Для того чтобы найти количество теплоты, которое должно быть передано в теплообменном аппа­рате, необходимо составить уравнение теплового баланса.

В теплообменнике количество теплоты отдаваемое горячим теплоносителем в единицу времени, затрачивается на нагрев (Q₂) холодного теплоносителя, а часть теплоты (), рассеиваемая в окружающую среду, теряется. Соответствующее уравнение тепло­вого баланса записывается в виде

Количество теплоты, переносимой в единицу времени, назы­вают тепловым потоком. Если теплоносители не меняют своего агрегатного состояния (не происходит их конденсации и испаре­ния), то уравнение теплового баланса (12.1) принимает вид

где , G₂ — массовые расходы веществ, участвующих в процессе теплообмена, кг/с; — удельные теплоемкости этих веществ, Дж/(кг • К); — начальная и конечная температуры горяче­го теплоносителя, К; Т_2н, Т_2к — начальная и конечная температу­ры холодного теплоносителя, К; — тепловые потери, Вт.

Под удельной теплоемкостью понимают количество теплоты, сообщаемой 1 кг вещества для изменения его температуры на 1 К.

В тех случаях, когда теплообмен между двумя средами сопро­вождается фазовым переходом (кипение, конденсация), в урав­нениях теплового баланса необходимо учитывать теплоту фазово­го перехода. Например, для конденсатора, в котором происходит конденсация паров горячего теплоносителя вследствие нагрева­ния холодного теплоносителя, уравнение теплового баланса име­ет вид

где — удельная теплота конденсации горячего теплоносителя, Дж/кг.

Под удельной теплотой конденсации понимают количество теп­лоты, выделяющейся при конденсации 1 кг теплоносителя.

Передача теплоты теплопроводностью. В твердых телах, облада­ющих упорядоченной молекулярной структурой, распростране­ние теплоты обусловлено преимущественно теплопроводностью.

Основной закон теплопроводности — закон Фурье гласит, что количество теплоты Q, передаваемой теплопроводностью в единицу времени через плоскую стенку, прямо пропорционально ее площади S и разности температур ее поверхностей и обратно пропорционально толщине стенки :

где — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу време­ни через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м² при разности тем­ператур ее поверхностей 1 К. Размерность этого коэффициента — Вт/(м • К).

Значение коэффициента теплопроводности зависит от приро­ды вещества и его температуры.

Передача теплоты конвекцией. Различают естественную кон­векцию, при которой движение частиц вызвано разностью плот­ностей газа или жидкости в различных точках объема вследствие разности их температур в этих точках, и принудительную конвек­цию, при которой перемещение газа или жидкости осуществляет­ся специальными устройствами — мешалками, вентиляторами, насосами и др.

Согласно закону Ньютона количество теплоты Q, отдаваемой стенкой омывающей ее жидкости (или воспринимаемой стенкой от жидкости) в единицу времени, прямо пропорционально пло­щади S поверхности стенки и разности температур стен­ки и жидкости:

где а — коэффициент пропорциональности, называемый коэф­фициентом теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теп­лоты передается от 1 м² поверхности стенки к жидкости (или от жидкости к стенке) в течение 1 с при разности температур стен­ки и жидкости 1 К. Размерность коэффициента теплоотдачи — Вт/(м²*К).

Коэффициент теплоотдачи а не является постоянной величи­ной для данного вещества или материала, а зависит от скорости перемещения жидкости вдоль поверхности теплообмена, разме­ров и формы этой поверхности, а также плотности, вязкости, теплопроводности, удельной теплоемкости и коэффициента объем­ного расширения движущейся жидкости.

Зависимость коэффициента теплоотдачи от этих факторов очень сложна и не может быть установлена теоретическим путем. Поэто­му для определения его значений прибегают к эксперименталь­ным исследованиям, а опытные данные обрабатывают методом теории подобия, получая зависимости, справедливые для данного класса явлений, в пределах которого возможно обобщение дан­ных отдельного опыта.

Из дифференциальных уравнений, описывающих конвектив­ный теплообмен, с помощью теории подобия получены опреде­ленные комплексы, в которые входят тепловые величины, харак­-

теризующие основные случаи переноса теплоты. Эти комплексы называются критериями подобия. К ним относятся:

• число Рейнольдса, характеризующее соотношение между инер­ционными силами и силами трения в подобных потоках:

где v — скорость движения жидкости, м/с; I — характерный ли­нейный размер, м; р — плотность жидкости, кг/м³; — ее ди­намическая вязкость, Па • с;

• число Нусселъта, характеризующее интенсивность теплообме­на на границе между стенкой и средой:

где а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²- К); — коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м • К);

• число Пекле, являющееся мерой соотношения между тепло­той, переносимой путем конвекции, и теплопроводностью:

где а — коэффициент температуропроводности, м²/с;

• число Прандтля, характеризующее подобие физических свойств теплоносителей в процессах конвективного теплообмена:

где с — удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг • К).

Используя указанные критерии, можно на основании опыт­ных данных находить значения коэффициента теплоотдачи а для отдельных технически важных случаев теплообмена. Для вынуж­денного турбулентного течения жидкости в прямой трубе, не со­провождающегося изменением ее агрегатного состояния,

Тогда с помощью формулы, определяющей число Нуссельта, можно найти значение коэффициента а.

При изменении агрегатного состояния вещества (конденсация паров, кипение жидкости) явления теплообмена еще более ослож­няются. Данные о тепловых величинах, характеризующих частные случаи теплообмена, приводятся в справочниках по теплопередаче.

Передача теплоты излучением. Все тела способны излучать энер­гию в виде электромагнитных волн. Эта энергия поглощается дру­гими телами, имеющими более низкую температуру, и превра­щается в теплоту. Тепловое излучение соответствует инфракрас­ной, не видимой глазом части спектра электромагнитных колеба­ний с длиной волны более 0,8 мкм, являющейся продолжением ее видимой части. Спектральная область видимого электромагнит­ного излучения ограничена значениями длины волны 0,4... 0,8 мкм.

Твердые тела обладают сплошным спектром излучения. Интен сивность теплового излучения резко возрастает с повышением температуры. При температуре, превышающей 600 °С, тепловое излучение приобретает доминирующее значение по сравнению с другими способами передачи теплоты.

Физические тела пропускают, отражают и поглощают тепло­вую энергию. В зависимости от способности тел пропускать, отра­жать и поглощать тепловую энергию различают абсолютно про­зрачные, абсолютно белые и абсолютно черные тела. Абсолютно прозрачные тела пропускают всю поступающую энергию тепло­вого излучения, абсолютно белые полностью отражают ее, а аб­солютно черные поглощают всю подводимую энергию.

Однако в природе не существует тел, обладающих такими иде­альными свойствами. Все реальные тела способны лишь частично пропускать, отражать и поглощать подводимую энергию электро­магнитного излучения. Их называют серыми.

Согласно закону Стефана—Больцмана лучеиспускательная спо­собность серого тела Е пропорциональна четвертой степени абсо­лютной температуры Т его поверхности и его коэффициенту лу­чеиспускания С^л:

Е= С^л(T/100)⁴.

Лучепоглощательная и лучеиспускательная способность тел (их способность поглощать и испускать излучение) зависит от темпе­ратуры.

Количество теплоты , переданное в единицу времени от бо­лее нагретого твердого тела с температурой к менее нагретому телу с температурой , позволяет определить уравнение

где — коэффициент взаимного излучения, зависящий от взаимного расположения тел, Вт/(м • К⁴); S — площадь поверхно­сти излучения, м²; , — абсолютные температуры нагретого и нагреваемого тел, К; — угловой коэффициент, зависящий от размеров поверхностей и расстояния между ними.

Чтобы защитить от попадания излучения и нагрева какое-либо тело, между ним и излучателем устанавливают экран, изготов­ленный из материала с хорошими отражательными свойствами.

В отличие от твердых тел многоатомные газы СO₂, SO₂ и пары воды излучают и поглощают энергию не поверхностью, а объе­мом. Кроме того, эти вещества испускают и поглощают электро­магнитное излучение не во всем спектре, как твердые тела, а лишь при определенных значениях длины волны, т.е. имеют полосы излучения и поглощения.

Количество теплоты, отдаваемое или воспринимаемое стен­кой площадью 1 м² за счет излучения в течение 1 с при разности
температур 1 К, называется коэффициентом теплоотдачи лучеис­пусканием а_л, Вт/(м²-К).