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; Т2н, Т2к — 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 Сл:
Е= Сл(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 ал, Вт/(м2-К).