Сложный теплообмен. Теплоотдача и теплопередача
Элементарные способы передачи теплоты. (Виды процессов теплообмена)
Различают три элементарных способа передачи теплоты:
1. Теплопроводность (кондукция);
3. Тепловое излучение (радиационный теплообмен).
Теплопроводность (кондукция) – способ передачи теплоты за счет взаимодействия микрочастиц тела (атомов, молекул, ионов в электролитах и электронов в металлах) в переменном поле температур.
Теплопроводность имеет место в твердых, жидких и газообразных телах. В твердых телах теплопроводность является единственным способом передачи теплоты. В вакууме теплопроводность отсутствует.
Конвекция – способ передачи теплоты за счет перемещения макрообъемов среды из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом текучая среда (флюид) с более высокой температурой перемещается в область более низких температур, а холодный флюид – в область с высокой температурой. В вакууме конвекция теплоты невозможна.
Тепловое излучение (радиационный теплообмен) – способ передачи теплоты за счет распространения электромагнитных волн в определенном диапазоне частот.
Замечания:
— все тела выше 0 К обладают собственным тепловым излучением, то есть энергию излучают все тела;
— для передачи теплоты излучением не требуется тело-посредник, т.е. лучистая энергия может передаваться и в вакууме.
В природе и в технических устройствах, как правило, все три способа передачи теплоты происходят одновременно. Такой теплообмен называется сложным теплообменом.
Например, конвекция теплоты всегда протекает совместно с теплопроводностью, так как макрообъемы текучей среды состоят из микрообъемов, и есть неравномерное по пространству температурное поле. Передача теплоты совместно теплопроводностью и конвекцией называется конвективным теплообменом.
Совместная передача теплоты излучением и теплопроводностью называется радиационно-кондуктивным теплообменом.
Совместная передача теплоты излучением и конвекцией называется радиационно-конвективным теплообменом.
В природе и технике наиболее часто встречаются следующие два варианта сложного теплообмена:
— теплоотдача – процесс теплообмена между непроницаемой твёрдой стенкой и окружающей текучей средой;
— теплопередача – передача теплоты от одной текучей среды к другой текучей среде через непроницаемую твёрдую стенку.
Теплоотдача. График температурного поля при теплоотдаче показан на рис. 3. Температура текучей среды изменяется в очень узкой области, которая называется тепловым пограничным слоем.
Рис. 1.3. Схема процесса теплоотдачи: Tw – температура стенки; Tf – температура текучей среды; δq – толщина теплового пограничного слоя.
Заметим, что в зависимости от соотношения температур стенки Tw и флюида Tf тепловой поток Q может нагревать стенку при условии 
или охлаждать ее, если 
.
Процесс теплоотдачи может быть осуществлен сочетанием следующих элементарных процессов теплообмена:
— конвективная теплоотдача (конвекция + теплопроводность = конвективный теплообмен) – имеет место при омывании твердых поверхностей различной формы текучей средой ( лученепрозрачной капельной жидкостью);
— лучистая или радиационная теплоотдача (тепловое излучение) – имеет место при радиационном теплообмене в вакууме или между стенкой и излучающим и поглощающим неподвижным газом;
— радиационно-конвективная теплоотдача (тепловое излучение + конвективный теплообмен) – наиболее часто встречающийся в практике расчетов случай сложного теплообмена;
— конвективная теплоотдача при фазовых превращениях теплоносителя (конвекция + теплопроводность + возможно излучение) – теплоотдача при конденсации и кипении, протекающая с выделением или поглощением теплоты фазового перехода.
Расчет теплоотдачи заключается в определении теплового потока, которым обмениваются стенка и текучая среда. В инженерных расчетах теплоотдачи используется, так называемый закон теплоотдачи – закон Ньютона (1701 г.):
,
где Q – тепловой поток, Вт; 
– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м 2 ·К); Tf и Tw – температура текучей среды и стенки; F – площадь поверхности теплообмена.
Теплопередача. В курсе ТМО изучают расчет теплопередачи через стенки плоской, цилиндрической, сферической и произвольной формы. В нашем кратком курсе ограничимся расчетом теплопередачи через плоскую и цилиндрическую стенки. График температурного поля при теплопередаче через плоскую стенку показан на рис. 4.
Рис. 1.4. Схема процесса теплопередачи: Tf,1 и Tf,2 – температура горячего и холодного флюида (текучей среды); Tw,1 и Tw,1 – температура поверхностей плоской стенки; δ – толщина плоской стенки.
Итак, теплопередача включает в себя следующие процессы:
а) теплоотдачу от горячей текучей среды (горячего теплоносителя) к стенке;
б) теплопроводность внутри стенки;
в) теплоотдачу от стенки к холодной текучей среде (холодному теплоносителю).
Тепловой поток при теплопередаче, передаваемый от горячего флюида с температурой Tf,1 к холодному флюиду с температурой Tf,2 , рассчитывается по формуле (для плоской стенки):
,
где 
– коэффициент теплопередачи через плоскую стенку, Вт/(м 2 ·К); Rt – термическое сопротивление теплопроводности плоской стенки, (м 2 ·К)/Вт..
В заключение первого раздела курса можно сделать вывод о том, что для решения основной задачи расчета теплообмена – определения температурных полей и тепловых потоков при теплоотдаче и теплопередаче – необходимо уметь рассчитывать три элементарных способа передачи тепловой энергии.
Источник
Три элементарных вида теплообмена, их характеристики.
Согласно второму закону термодинамики, если в теле или в какой-либо термодинамической системе тел возникала разность температур, то из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой будет передаваться тепловая энергия. В этом случае говорят, что между указанными областями возник теплообмен. Известные законы и зависимости термодинамики позволяют определить как количество тепловой энергии, передаваемой в результате теплообмена, так и температуру тел, участвующих в нем. Эти законы, кроме того, позволяют найти также скорость передачи тепловой энергии и время, за которое произойдет выравнивание температур. Указанные процессы исследует раздел теплотехники — теория теплообмена. Тела или области тел обмениваются между собой тепловой энергией тремя способами:Теплопроводность — способ теплообмена, основанный на передаче энергии теплового движения микрочастиц путем их соударений. Микрочастицы движутся со скоростями, пропорциональными их абсолютной температуре. В результате их столкновений происходит передача тепловой энергии в отдельно взятом теле из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой. Передача тепловой энергии от одного тела к другому в вакууме осуществляется только при контакте тел. Итак, теплопроводность — это перенос тепловой энергии соударением микрочастиц. В металлах, например, этими частицами являются свободные электроны, в жидкостях и газах — молекулы.Конвекция— способ теплообмена, при котором передача тепловой энергии осуществляется путем переноса макроскопических тел из областей тела с высокой температурой в области с низкой температурой. Конвекция свойственна только жидкостям и газам. Перенос обусловлен градиентом давления в жидкости или газе, который вызван наличием либо сил тяжеcти (естественная конвекция), либо источников энергии, приводящих жидкость или газ в движение, например, насосов, вентиляторов и т. п. (вынужденная конвекция).Тепловое излучение — способ теплообмена, основанный на способности всех тел при определенных условиях излучать энергию в виде электромагнитных волн (фотонов) и частиц вещества. При этом излучающее тело теряет тепловую энергию и при этом охлаждается, а тело, которое поглощает излучение, нагревается.
22. Теплопроводность. Дать характеристику этого вида теплообмена. Коэффициент теплопроводности, его физическая сущность.Теплопроводность — передача тепла путем непосредственного соприкосновения (контакта) частиц тепла с различной температурой. При теплопроводности температура внутри тела различна и непрерывна между соприкасающимися частицами тела. Мгновенное значение температуры во всех точках тела для какого-либо момента времени называется температурным полем данного тела. Температурное поле может быть переменным (нестационарным) и постоянным (стационарным) во времени и иметь различные значения температуры в трех, двух и одном измерениях пространства. В соответствии с этим температурное поле называется трех-, двух- и одномерным температурным полем. Температурное поле может быть изображено посредством изотермических поверхностей и линий, соединяющих точки тела с одинаковой температурой. Предел отношения температуры ∆t к расстоянию ∆x называется температурным градиентом, который обозначается lim и имеет размерность в град/м. Температурный градиент является векторной величиной и характеризует степень изменения температуры на единицу длины в направлении ее возрастания. Тепловой поток является также вектором, направление которого противоположно вектору температурного градиента и совпадает с направлением переноса тепла, а абсолютная величина его выражает интенсивность теплопередачи. Тепловой поток (интенсивность теплопередачи посредством теплопроводности) пропорционален температурному градиенту (закон Фурье). q= -ƛ(dt/dx) где q — тепловой поток в ккал/(м*ч); λ — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности; dt и dx — температурный градиент. lim= dt/dx. λ = qδ/t1-t2 где q — тепловой поток в ккал/м 2 *ч; δ — толщина стенки в м; t1-t2 − — разность температуры между противоположными поверхностями стенки в град; λ — коэффициент теплопроводности материала в ккал/м ч град.
23. Основной закон теплопроводности. Величины, влияющие на процесс теплопроводности. Что является носителем энергии?Всякое физическое явление протекает во времени, пространстве и связано с понятием поля (температур, давлений, потенциала). Процесс теплопроводности связан с распределением температур внутри тела. Температура характеризует степень нагрева и тепловое состояние тела. Совокупность значений температур в различных точках пространства в различные моменты времени называется температурным полем. Если температура конкретной точки тела зависит только от координат T = f (x, y, z ), то такое температурное поле называется стационарным, а если от координат и времени T = f (x, y, z, х) — нестационарным. Различают стационарное (независящее от времени) и нестационарное (зависящее от времени) поле температур, а также одно-, двух- и трехмерное поле, которое характеризуется одной, двумя или тремя координатами. Изотермическая поверхность — это геометрическое место точек одинаковой температуры. Любая изотермическая поверхность разделяет тело на две области: с большей и меньшей температурой. Теплота переходит через изотермическую поверхность в область более низкой температуры. Количество теплоты AQ (Дж), проходящее в единицу времени Дх(с) через произвольную изотермическую поверхность, называется тепловым потоком Q, Дж/с (Вт). В общем случае тепловой поток может совпадать или не совпадать с линией тока теплоты, может изменяться вдоль линии тока теплоты или оставаться постоянным. Значения теплового потока могут зависеть или не зависеть от времен. Интенсивность теплообмена характеризуется плотностью теплового потока. Плотностью теплового потока q (или удельным тепловым потоком) называется количество теплоты AQ (Дж), проходящее через единицу поверхности F (м 2 ) в единицу времени Дх(с): q = ДQ/ДхF, Дж/(м 2 .с) или Вт/м 2 . Следовательно, плотность теплового потока q это тепловой поток Q (Вт), отнесенный к единице поверхности F (м 2 ): q = Q/F, Вт/м 2 . Французский ученый Жан Батист Фурье , установил, что для изотропных (твердых) сред количество передаваемой теплоты AQ (Дж) пропорционально падению температуры (-дT/дn), времени Дх(с) и площади сечения F (м 2 ), перпендикулярного направлению распространения теплоты. Матем. выражение закона теплопроводности Фурье: AQ = -λ T FAτ или Q = -λ T F, или q = -λ/T .
Источник
