Часть 2. Основы теории тепло- и массообмена. Процессы горения  

ТЕМА 4. Теория теплообмена.

Теплопроводность, конвекция, тепловое излучение. Теплопередача.

Теплообменники

1. Основные понятия и определения

В природе и в промышленных установках протекают процессы об­мена различных объектов энергией и массой (иногда применяют вместо термина обмен - перенос). Самым распространенным явлением тепло- и массопереноса в природе является испарение воды в океанах, проте­кающее за счет солнечной энергии: вода Н₂О покидает жидкую фазу (воду океана) и поступает в газообразную (воздух). Про­цесс сушки сырых материалов является типичным примером тепло- и массообмена в промышленных процессах. Удаление влаги осуществляют в сушильных установках в результате теплообмена материала с горя­чим воздухом или горячей газо-воздушной смесью и при этом тепло- и массообмен протекают совместно.

Тепло- и массообмен может быть не только в физических процессах, но часто сопровождается и хими­ческими реакциями. Процесс горения и газификации твердого топлива в промышленных топках и газогенераторах является примером тепло- и массообмена в таких устройствах. Процессы тепло- и массообмена сложны по своей природе, они связаны с движением вещества - конвек­тивной (молярной) и молекулярной диффузией и определяются закона­ми аэродинамики и газодинамики, термодинамики, передачи энергии в форме теплоты, передачи лучистой энергии и превращением ее в теплоту и наоборот.

Сначала, как всегда поступают в науке, рассмотрим элементарные процессы теплообмена теплопроводностью, конвекцией и лучеиспускани­ем, а затем совместные процессы теплопередачи всеми видами теплооб­мена (но без массообмена) и совместные процессы тепло- и массообме­на. Такое последовательное рассмотрение вопросов не только упрощает изучение теории, но и целесообразно еще и потому, что большое количе­ство задач, поставленных практикой в промышленном производстве, от­носится только к передаче энергии в форме теплоты, поскольку процессы протекают практически без массообмена.

Теплопередачей или теорией теплообмена называют науку, изучаю­щую распространение теплоты. Основы учения о теплоте были заложены великим русским ученым М. В. Ломоносовым, который в 1744 году в работе «Размышление о причине теплоты и холода» установил физическую сущ­ность теплоты и истолковал процесс распространения теплоты как переда­чу движения от одних частиц тела к другим.

В 1822 г. французский ученый Б. Фурье изложил теорию распрост­ранения теплоты в твердых телах в труде «Аналитическая теория тепла». Им был сформулирован в 1807 г. основной закон теплопроводности. В области теплопередачи известны труды русских ученых конца XIX века - А. Г. Столетова, В. А. Михельсона, Н. А. Умова и Б. Б. Голицина.

Учение о теплообмене очень быстро развивалось в течение послед­них 70 лет. В эту науку наряду с зарубежными исследованиями большой вклад внесли и отечественные ученые. Особенно следует отметить работы академика М. В. Кирпичева и его научной школы в области теории подобия теплофизических процессов и конвективного теплообмена, работы М. А. Михеева, А. А. Гухмана, Г. М. Кондратьева, А. В. Лыкова, С. Н. Шорина, В. Н. Богословского, многих других.

 Тепловые процессы лежат в основе многих важнейших производств: металла, машин, строительных материалов, химических и пищевых продуктов и др. Достаточно вспомнить, что на выплавку в до­менной печи 1 тоннычугуна из железных руд расходуется 600-750 кгкамен­ноугольного кокса. Плавка стали в мартеновских печах происходит при очень высокой температуре: жидкая сталь выпускается из печи при 1500°С и выше. Теплота выделяется в печах при интенсивном сжигании газообразного или жидкого топлива.

В России почти 80% всей электрической энергии вырабатывается на тепловых электрических станциях, где в тепловых двигателях теплота преобразовывается в меха­ническую работу.

Среди тепловых процессов, применяемых в производстве, основное место занимает процесс передачи тепла от его источников к обрабаты­ваемому материалу. Такими источниками теплоты являются раскаленные или горячие твердые, газообразные или жидкие тела.

В паровых котлах, в промышленных печах и в теплообменных аппаратах осуществляется теплообмен между греющими и нагреваемыми теплоносителями. Например, в паровом котле теплота от горячих дымовых газов, образующихся при сгорании топлива, передается через поверхность стальных труб движущейся внутри них воде.

Поэтому можно сделать вывод, что производительность тепловых аг­регатов в первую очередь определяется интенсивностью теплопередачи, а затем размерами агрегатов и другими условиями.

 

Основные виды теплообмена

 

Теплота самопроизвольно распространяется от тел с большей темпе­рату­рой к телам с меньшей температурой. При наличии разности темпе­ратур в одном теле или во многих телах (твердых, жидких и газообраз­ных) возникает процесс теплообмена или теплопередачи, который проте­кает тем интенсив­нее, чем больше разность тем­ператур. Теплообмен яв­ляется сложным про­цессом. Для простоты изучения разли­чают три элементарных вида теплооб­мена: теплопро­водность (кондукцию), кон­векцию и тепловое из­лучение.

Рис. 4.1. Основные элементарные виды теплообмена:

теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.

 

Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела, т. е. движением микроструктурных частиц вещества (молекул, ато­мов, ионов, электро­нов). Обмен энергией между движущимися частицами проис­хо­дит в ре­зультате их не­посредственных столкновений; при этом молекулы более нагре­той части тела, имеющие большую энергию, передают часть ее сосед­ним частицам, энергия ко­торых меньше. В газах перенос энергии происходит путем диффузии молекул и атомов, в жидко­стях и твердых ди­электриках - пу­тем упругих волн. В металлах пере­нос энергии осуществля­ется колеблющимися ионами решетки и диффу­зией свободных электронов («электронным газом»): значение упругих колебаний кри­сталлической ре­шетки в этом случае не имеет большого значения.

В теории теплопроводности не рассматривается движение мик­ро­структурных частиц, так как она основана на анализе макро­процессов.

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) является феноме­но­логи­ческим описанием процесса и имеет вид:

                               grad t, Вт/м²,                                      (4.1)

где q - удельный тепловой поток; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град); grad t - градиент температуры, град/м. Знак минус в урав­нении (4.1) по­тому, что теплота распростра­няется в сторону падения темпе­ра­туры.

Под конвекцией тепла понимают процесс передачи его из одной части про­странства в другую перемещающимися макроскопическими объе­мами жид­ко­сти или газа. В зависимости от причины, вызывающей дви­жение, кон­векция может быть свободной (естественной) или вынужден­ной, происхо­дящей за счет действия внешних сил. Естественное или сво­бодное движение жидкости или газа, а следова­тельно, и конвекция теп­лоты вызываются разно­стью удельных ве­сов неравномерно на­гретой среды; принудительное движе­ние осуществляется нагнетателями (насо­сами, вен­тиляторами, компрессо­рами и другими).

Из определения конвекции следует, что количество передаваемого кон­век­цией в единицу времени теплоты прямо связано со скоростью дви­жения среды. Тепло пере­дается главным образом в результате происхо­дящих пото­ков жид­кости или газа (макрообъемов), но отчасти тепло распространяется и в резуль­тате обмена энергией между частицами, т. е. теплопроводностью. Таким обра­зом, конвекция всегда со­провождается теплопроводностью (кон­дукцией) и теп­лопровод­ность является неотъемлемой ча­стью конвекции. Со­вместный процесс конвек­ции теплоты и теплопроводности называют конвек­тивным теплообме­ном. Конвективный теплообмен между потоком теплоно­си­теля и поверхностью на­зывают конвективной теплоотда­чей или теплоот­дачей соприкосновени­ем и описывают формулой Нью­тона-Рихмана

                     , Вт/м²,                               (4.2)

где q_K - удельный поток теплоты; α_к - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м²·град); ∆t - средняя разность температур между греющей средой и на­гре­вае­мой поверхностью (температурный напор), град.

Величину, обратную коэффициенту теплоотдачи 1/α, называют терми­че­ским сопротивлением. Коэффициент конвективной теплоотдачи за­висит от многих фак­торов и на практике значение его составляет от 2 (от сво­бодно дви­жущегося воздуха к плоскости) до 5000 Вт/(м²·град) и более (от вы­нуж­денно движущейся воды в тру­бах к их поверхности). Его величина зависит от скоро­сти потока и характера движения, от формы и раз­мера обтекаемого тела, от свойств и со­стояния среды.

Тепловое излучение представляет собой процесс превращения теплоты в лучи­стую энергию и передачи ее в окружающую среду.

При нагревании тел часть теплоты в результате атомных возмущений неиз­бежно преобразуется в лучистую энергию. Носителями лучистой энер­гии яв­ляются элек­тромагнитные волны или в другом представлении фотоны (кванты энергии). Ско­рость перемещения этих носителей в ва­кууме состав­ляет около 300·10⁶ м/сек. Ре­зультирующий тепловой поток от излучающей среды с абсо­лютной температурой Т_окр к поверхности, средняя абсолютная температура ко­торой равна Т_с определяется по формуле, основанной на за­коне Стефана-Больцмана:

                     , Вт/м²,                          (4.3)

где σ₀ - коэффициент излучения, Вт/(м²·К⁴); ε_пр - приведенная степень черно­ты, зави­сящая от свойств излучаю­щей среды и поверхности и выра­женная в долях от сте­пени черноты абсолютно черного тела, принимаемой за единицу.

Природа тепловых и световых (видимых) лучей одна и та же. Тепловое излу­чение различных тел определяется их тепловым состоя­нием, а также при­родными свойствами. Температура резко влияет на лучеис­пускательную спо­собность тел, т. е. на количество энергии, излу­чаемой еди­ницей поверх­ности тела за единицу времени. Тело, обладаю­щее при данной температуре наиболь­шей излучательной способно­стью, называется абсо­лютно черным телом. Та­ких тел в природе не существует и все реальные тела излучают при одной и той же температуре только часть энергии абсо­лютно черного тела.

Лучистая энергия, излучаемая нагретым телом в пространство, падает на дру­гие тела и в общем случае частично поглощается ими, ча­стично отра­жается и ча­стью проходит сквозь тело. Отраженная телом и прошедшая сквозь него часть лучи­стой энергии рассеивается в окру­жающем пространст­ве. Таким обра­зом, лучистый теплообмен, или пере­дача тепла лучеиспуска­нием от одних тел к другим, связан с двойным преобразованием энергии: теп­лоты - в лучистую энергию и обратно - лу­чистой энергии в теплоту.

В теплотехнике широко используются продукты сгорания или дымо­вые газы, образующиеся при сжигании топлива. Теплота от этих га­зов переда­ется по­верхности нагрева не только конвекцией, но и лучеис­пусканием.

В те­плоэнер­гетических уста­новках протекает сложный теплообмен всеми ви­дами распро­странения теплоты.

В жидкостях конвекция сопровождает теплопро­вод­ность и со­вместный теплообмен называют конвективно-кондуктив­ным, в газах совме­стно протекает конвектив­но-радиационный теплооб­мен. Теплообмен излу­чением без конвекции в тех­ниче­ских установках может проте­кать и в вакууме.