Общие понятия о процессе теплообмена

Теплообменом называется необратимый самопроизвольный процесс переноса тепловой энергии в пространстве с неоднородным полем температуры. В общем случае теплообмен может вызываться также неоднородностью полей других физических величин (например, концентраций, вызывающих диффузионный термоэффект).

Теплообмен между физическими телами (или системами) вызывается наличием разности температур между ними. По второму закону термодинамики такой перенос тепла всегда имеет определенную направленность от более нагретого тела к более холодному.

Процессы теплообмена могут быть стационарными и нестационарными. При наличии одинаковых по мощности источников тепловыделения и теплопоглощения имеют место стационарные процессы теплообмена при постоянстве температур в отдельных точках во времени.

Совокупность значений температур во всех точках рассматриваемого тела называется температурным полем.

Существуют три основных способа передачи тепловой энергии:

· теплопроводность;

· конвективный теплообмен;

· теплообмен излучением.

Теплопроводность – это обмен энергией при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различную температуру. Такой процесс теплообмена в основном происходит в твердых телах.

Конвекция – теплообмен, проявляющийся только в реальных жидкостях или газах в форме переноса тепла при перемещении частиц или объемов веществ из одной области в другую.

Излучение – теплообмен путем распространения лучистой энергии, т.е. электромагнитных волн определенной длины.

Сложный процесс теплообмена (теплопроводность, конвекция и излучение) между разного рода теплоносителями, разделенными теплопроводящей стенкой называется теплопередачей.

 

Теплопроводность

Теплопроводность – это теплообмен, при котором перенос тепловой энергии в неравномерно нагретой среде имеет атомно-молекулярный характер (не связан с макроскопическим движением среды). В газах перенос энергии осуществляется хаотически движущимися молекулами, в металлах – в основном электронами проводимости, в диэлектриках – за счет связанных колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку.

При одинаковости физических свойств тела (среды) по всем направлениям (изотропность среды) справедлив закон Фурье, согласно которому вектор плотности теплового потока (, Вт/м²) пропорционален и противоположен по направлению градиенту температуры

( 3.6)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К).

Наибольшие значения λ имеют металлы, а наименьшие газы. Например:

- сталь – 63 Вт/(м·К);

- латунь – 100 Вт/(м·К);

- алюминий – 200 Вт/(м·К);

- медь – 392 Вт/(м·К);

- серебро - 455 Вт/(м·К);

- вода (жидкость)– 0,53 Вт/(м·К);

- воздух (газ) – 0,025 Вт/(м·К);

Уравнение (3.6) с учетом однослойной стенки можно представить в следующем виде:

,

где s/λ=R_λ – термическое сопротивление материала стенки; обратная величина 1/R_λ называется тепловой проводимостью.

Для многослойных стенок тепловой поток определяется по выражению

.

На рис.3.11 графически показано изменение температуры в многослойной стенке при воздействии теплового потока с лева на право.

Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен – это процесс переноса теплоты в неравномерно нагретой жидкой, газообразной или сыпучей среде, осуществляющейся вследствие движения среды и ее теплопроводности.

Конвективный теплообмен, протекающий на границе раздела двух фаз называется конвективной теплоотдачей.

Конвективный теплообмен зависит от физических свойств среды и характера ее движения. Различают:

- конвективный теплообмен при естественной (свободной) конвекции, когда движение среды обусловлено только действием силы тяжести на неравномерно нагретую и, следовательно, неоднородную по плотности среду;

- конвективный теплообмен при вынужденной конвекции, когда движение среды вызывается действием на нее насосов, вентиляторов, мешалок и т.п.

Если конвективный теплообмен сопровождается переходом среды из одного агрегатного состояния в другое, то его называют конвективным теплообменом при изменении агрегатного состояния (например, при кипении жидкости или при конденсации пара).

Конвективный теплообмен осуществляется в различных теплообменных и теплосиловых установках.

Для определения теплового потока q, Вт/м², передаваемого путем конвективного теплообмена, используется уравнение Ньютона:

,

где t_cm, t_ж – температуры на поверхности тела (стенки) и жидкости (или газа);

Δt = t_cm - t_ж – температурный напор, К;

α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К); это количество теплоты, передаваемой через единицу поверхности твердого тела в единицу времени при разности температур в один градус.

Коэффициент теплоотдачи колеблется в широких пределах и зависит от многих факторов движущейся среды (табл.3.2): агрегатного состояния, вязкости, сжимаемости, давления, температуры, теплоемкости, теплопроводности и т.д. Коэффициент α определяется в основном экспериментальным путем, и поэтому применим только при тех же условиях, в которых проводился эксперимент. При аналитическом определении коэффициента α в некоторых условиях используется теория подобия физических процессов и теория моделирования.

Таблица 3.2

Коэффициент теплоотдачи

Движущаяся среда	Характер движения
Свободное (ламинарное)	Принудительное (турбулентное)
Вода	100 ÷ 600	50 ÷ 10000
Вязкие жидкие среды	-	50 ÷ 500
Газы	3 ÷ 20	10 ÷100

 

Режим движения при расчете конвективного теплообмена определяется критерием Рейнольдса:

где с – скорость движения среды, м/с;

l – линейный размер, м;

- коэффициент кинематической вязкости среды, м²/с.

Считается, что при Re < 2320 движение среды ламинарное; при больших значениях Re движение турбулентное.

В теории подобия коэффициент теплоотдачи определяется с учетом критерия Нуссельта

,

где λ - – коэффициент теплопроводности движущейся жидкости или газа, Вт/(м·К).

 

Теплопередача через стенку

Рассмотрим процесс теплообмена между двумя средами, разделенными промежуточной стенкой. Такой процесс теплопередачи можно представить поэтапно следующим образом (рис.3.12).

1. Теплопередача от более горячей движущейся среды к поверхности стенки, осуществляемая конвективным теплообменом.

2. Теплопроводность через твердую стенку.

3. Теплопередача от поверхности стенки к более холодной движущейся среде.

Для каждого этапа теплопередачи тепловой поток q будет одинаковым и равным:

Преобразовав и сложив последние уравнения получим

,

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);

.

Полное количество теплоты, передаваемого через стенку в единицу времени, определяется по уравнению:

, (3.7)

где - температурный напор, К; = t₁ – t₂.

Температурный напор при расчете теплопередачи в теплообменниках определяется как осредненное значение от входного до выходного сечений подогревателя.

 

 

Рис.3.13. Изменения температур при противоточном (а) и прямоточном (б) движении теплоносителей в подогревателе

 

На рис.3.13 показано изменение температур от входных до выходных сечений теплообменника в греющей и обогреваемой средах, разделенных стенкой трубы при прямоточном и противоточном движении теплоносителей.

При расчете теплообмена в подогревателях используется уравнение теплового баланса, которое имеет следующий вид:

 

где Q – количество теплоты, передаваемое одним теплоносителем другому в единицу времени, кг/с;

с₁, с₂ – теплоемкость одного и второго теплоносителей, проходящих через теплообменник, Дж/(кг·К);

G₁, G₂ – массовые расходы теплоносителей, кг/с;

t_1в, t_2в – температуры 1-го и 2-го теплоносителей на входе в теплообменник, К;

t_1к, t_2к - температуры 1-го и 2-го теплоносителей на выходе из теплообменника, К;

η – к.п.д. подогревателя, учитывающий потери тепла при теплообмене.

С другой стороны количества тепла отданное одним теплоносителем и принятое другим может быть определено через температурный напор по уравнению (3.7).

Примерами бытовых теплообменников, в которых происходят процессы теплопередачи, являются батареи отопления, различные нагревательные элементы и т.д.

 

Теплообмен излучением

В природе все тела способны излучать в окружающую среду электромагнитные волны различной длины. Электромагнитное излучение с длиной волны от 8·10^-10 до 8·10^-4 м создает тепловое воздействие. Такой теплообмен возникает за счет хаотического движения молекул одного тела, которое передается другому телу, вызывая в нем аналогичные колебания молекул.

Количественно тепловое излучение любого тела определяется его температурой. Равенство температур двух тел свидетельствует о равенстве энергий теплового излучения этих тел. Неравенство температур создает небаланс в обмене энергий излучений обоих тел.

Одной из основных характеристик лучистого теплообмена является излучательная способность тел, Вт/м²,

,

где Q – суммарное излучение тела с поверхности F (м²) в единицу времени, Вт.

Для практических расчетов процесса лучистого теплообмена используется теория Стефана-Больцмана (1884 г.), согласно которой энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени

,

где σ₀ – постоянная излучения абсолютно черного тела; σ₀ = 5,67·10^-8, Вт/(м²К⁴).

Для практических расчетов используется уравнение:

,

где = 5,67, Вт/(м²К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для любого серого тела

(3.8)

где ε = С/С₀ – степень черноты тела;

С – коэффициент излучения серого тела; С = 0÷5,67 Вт/(м²К⁴).

Однако лучистый теплообмен зависит не только от излучательной способности тел, но и от поглощательной способности. Кирхгоф установил связь между излучательной и поглощательной способностями тела.

Поглощательная способность тела оценивается коэффициентом поглощательной способности А. При температурном равновесии отношение излучательной и поглощательной способностей тела не зависит от природы тела и равно излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре, т.е.

Учитывая уравнение (3.8), получим: ε = А.

Предположим, что тело 2 (рис.3.14) является абсолютно черным телом. Тепловой баланс для абсолютно черного тела можно представить уравнением:

.

 

Если рассматривать лучистый теплообмен между двумя серыми телами, то происходит многократное взаимное переотражение двух основных падающих потоков Е₁ и Е₂. По закону Стефана-Больцмана можно записать следующие зависимости:

.

В результате действия двух потоков излучения получаем результирующее излучение, которое является разностью двух встречных лучистых потоков, падающих с противоположных сторон на некоторую воображаемую поверхность:

или ,

где С_пр – приведенный коэффициент излучения (приведенная излучательная способность), Вт/(м²К⁴), который определяется по уравнению:

.

Полная тепловая энергия, полученная телом при лучистом теплообмене, определяется по уравнению

, (3.9)

где F – площадь взаимной поверхности облучения, м², которая определяется в зависимости от площадей F₁ и F₂, участвующих в теплообмене поверхностей тел 1 и 2.

Если обменивающиеся лучистой энергией тела занимают произвольное пространство по отношению друг к другу, то в уравнение (3.9) вводится коэффициент, учитывающий угловое расположение излучательных поверхностей

,

где φ_1,2 – средний угловой коэффициент облучения. Этот коэффициент показывает, какая часть поверхности излучения, испускаемого одним телом, падает на другое.

Примером теплового излучения является тепло, которое попадает на поверхность земли от солнца; при прямом излучении в полдень и при угловом на закате или восходе солнца. Стоит только спрятаться в тень как прекращается действие солнечной радиации. Другим примером является лучистое тепло, действующее от костра.

 

Контрольные вопросы

1. Дайте определение термодинамики?

2. Какие виды термодинамики Вы знаете?

3. Дайте определение термодинамической системы?

4. Что такое «термодинамический процесс» и какие они бывают?

5. Дайте определение термодинамического равновесия?

6. Охарактеризуйте основные термодинамические параметры?

7. Напишите основные уравнения состояния идеального и реального газа?

8. Покажите в координатах «давление – объем» состояние пароводяной среды?

9. Что обозначают параметры критической точки; представьте их для воды и водяного пара?

10. Назовите основные законы идеального газа?

11. Определение и уравнения первого начала термодинамики?

12. Какие преобразования можно показать в pv - Ts - диаграммах?

13. Свойства термодинамических процессов?

14. Какие термодинамические процессы Вы знаете?

15. Покажите изменение тепловой энергии в изохорном, изобарном и изотермическом процессах?

16. Напишите изменения параметров в адиабатном и политропном процессах?

17. Термодинамические свойства воды и водяного пара?

18. Покажите изменения параметров воды и водяного пара в hs - и Ts - диаграммах?

19. Дайте определение термодинамического цикла?

20. Дайте определение второго закона термодинамики?

21. Что такое цикл Карно, покажите его в pv - Ts - диаграммах?

22. Что такое цикл Ренкина, покажите его в pv - Ts - диаграммах?

23. Что такое тепломассообмен?

24. Какие виды тепломасообмена Вы знаете; объясните их на примерах?

25. Что такое теплопроводность?

26. Как изменяется температура в многослойной стенке?

27. Что такое конвективный теплообмен?

28. Покажите теплопередачу через стенку при конвективном теплообмене и теплопроводности?

29. Что такое температурный напор. Покажите его при противоточном и прямоточном движении теплоносителей в теплообменнике?

30. Что такое теплообмен излучением?