Глава 3.

Теплоперенос

1. Введение

В основе действия большинства возобновляемых источников энергии, даже не являющихся непосредственно тепловыми, как, например, солнечные, геотермальные и биологические, лежат процессы теплопереноса. Теория теплопереноса — хорошо разви­тое научное направление, но нам нет необходимости останавли­ваться на ней слишком детально, тЗк как это редко требуется при рассмотрении работы не очень больших энергетических устано­вок. Например, температурные перепады в них обычно невелики, геометрические формы достаточно просты и, самое главное, пото­ки энергии малы.

При рассмотрении процессов теплопереноса мы будем пользо­ваться распространенным подходом, при котором совокупность взаимосвязанных тепловых процессов представляется единой «тепловой цепью». Например, изображенный на рис. 3.1 прием­ник солнечной энергии поглощает около 1 кВт на каждый 1 м² солнечной энергии, при этом температура его поверхности нагре­вается примерно на 50° С выше температуры окружающей среды. Отвод тепла от поверхности приемника осуществляется за счет инфракрасного (теплового) излучения, конвекции и теплоотдачи. Только последний процесс является полезным, осуществляя пере­дачу части поглощенной солнечной энергии теплоносителю. При используемом подходе представляем процесс передачи солнечной энергии теплоносителю в виде тепловой цепи (по аналогии с электрической цепью, см. рис. 3.2, в) и оцениваем эффективность каждого процесса, являющегося элементом цепи, с точностью по­рядка 50%. Затем, отбросив процессы, вносящие относительно небольшой вклад в теплоперенос, проводим более точный расчет. Естественно, что при таком подходе точность расчетов вряд ли может быть лучше 10%.

<\t А-»

Рис. 3.1. Виды теплопере­носа на примере приемни­ка солнечного излучения (поглощающая пластина с трубками для воды внутри). Тепловые потери связаны с отражением солнечной энергии (/), теплопроводностью в мес­те крепления приемника (2) и конвекцией (3)

42

Конвенция

Конвекция

^ Теплопроводность

Источник

тепла

Но

Сток

тепла

Данная глава является вводной для последующих глав, по­священных конкретным энергетическим системам.

2. Метод тепловой цепи и терминология

Рассмотрим применение метода тепловой цепи при анализе процесса теплопередачи на простом примере (который в действи­тельности, конечно, гораздо сложнее). Поместим в ночное время в закрытое холодное помещение емкость с горячей водой, при этом температура вне помещения (в окружающем пространстве) еще ниже, чем в помещении. Очевидно, что в конечном счете теп­ловой поток в этом случае будет направлен от горячей емкости в холодное окружающее пространство (рис. 3.2, а). Для простоты будем считать, что пол и потолок помещения абсолютно нетепло­проводны и перенос тепла осуществляется только через стены. От горячей емкости тепло передается стенам помещения за счет излу­чения (радиации) и конвекции. Через стены тепло передается теплопроводностью, а далее, в окружающее пространство, за счет конвекции и излучения (рис. 3.2, б). Последовательность этих процессов теплопереноса представлена на рис. 3.2 в в виде тепловой цепи.

Каждый процесс в тепловой цепи можно представить в форме

Pii — {Ti Т/У /?;/, (3.1)

где Р//_тепловой поток от горячей поверхности с температурой Ti к холодной с температурой Г/, а /?_г/ — термическое сопротив­ление.

В общем случае значение термического сопротивления R_ri за­висит от температуры, и эта зависимость может быть очень силь­

43

44