Краткие теоретические сведения. Основы теории теплообмена Виды теплообмена

В теории теплообмена рассматриваются вопросы распространения теплоты. Теплообмен имеет весьма важное значение, так как с ним связаны многочисленные процессы в различных областях техники и природные явления.

Исследования теплообмена показали, что это сложный процесс, который можно представить как совокупность отдельных простых процессов. Различают три элементарных вида теплообмена - теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

В процессе теплопроводности обмен энергией происходит в результате непосредственного соприкосновения частиц вещества (молекул, атомов и свободных электронов) при их тепловом движении. Теплопроводность имеет место в любых телах, но механизм переноса энергии зависит от агрегатного состояния вещества. Теплопроводность в жидких и особенно в газообразных телах незначительна по сравнению с твердыми телами. В разных твердых телах теплопроводность также может существенно отличаться. Тела с малой теплопроводностью называют теплоизоляционными.

Процесс конвекции происходит исключительно в жидкостях и газах и представляет собой перенос теплоты за счет перемещения и перемешивания отдельных частиц жидкости или газа. При этом существенное значение имеют состояние и характер движения жидкости. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Различают естественную и вынужденную конвекцию. В процессе естественной конвекции перемещение частиц жидкости или газа происходит за счет разности плотностей отдельных объемов вещества. Если перемещение жидкости или газа происходит в результате воздействия какого-либо побудителя движения (насоса, вентилятора и т.п.), то перенос теплоты при этом называют вынужденной конвекцией. Процесс теплообмена в последнем случае происходит значительно интенсивнее, чем при естественной конвекции.

Тепловое излучение- это процесс переноса теплоты от одного тела к другому электромагнитными волнами, возникающими в результате сложных молекулярных и атомных возмущений. В отличие от теплопроводности и конвекции этот процесс сопровождается превращениями энергии- тепловой в лучистую, а затем лучистой снова в тепловую. Лучистая энергия возникает на поверхности тела и распространяется во все стороны. Встречая на своем пути другие тела, лучистая энергия ими частично поглощается, превращаясь в теплоту. При этом происходит повышение температуры тела.

Элементарные виды теплообмена в чистом виде практически не встречаются. В большинстве случаев один вид теплообмена сопровождается другим. В теплообменных аппаратах наблюдаются самые различные сочетания видов теплообмена, разделить которые очень затруднительно.

В практических расчетах совокупность сложных процессов иногда целесообразнее рассматривать как один процесс, которому в этом случае присваивают специальное название. Так перенос теплоты от горячей жидкости (газа) к холодной через разделяющую их стенку называют процессом теплопередачи.

При изучении отдельных видов теплообмена используются следующие общие понятия и определения.

1. Перенос теплоты от одного тела к другому или в самом теле происходит только при наличии разности температур и направлен всегда в сторону более низкой температуры.

2. Количество переносимой в единицу времени теплоты называется тепловым потоком Q, Вт. Тепловой поток, проходящий через единицу площади поверхности F, м², перпендикулярной направлению потока, называется удельным тепловым потоком q, Вт/м², т.е.

. (1.1)

3. Температура представляет собой параметр состояния тела или системы тел и в общем случае является функцией координат х, у, z изучаемого пространства и времени t, т.е.

. (1.2)

Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени называется температурным полем. Уравнение (1.2) является его математическим выражением.

Если температурное поле изменяется во времени, то оно называется неустановившимся, или нестационарным. Если распределение температур (температурное поле) не зависит от времени, то поле называется установившимся, или стационарным. В этом случае тепловой режим и тепловой поток будут также стационарными.

Температурное поле может быть функцией трех, двух или одной координаты. Соответственно оно называется трех-, двух- или одномерным. Простейшим температурным полем является одномерное стационарное поле, которое описывается уравнением вида

. (1.3)

4. Геометрическое место точек, имеющее одинаковую температуру в рассматриваемом пространстве, образует изотермическую поверхность. Так как в одной и той же точке одновременно не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности друг с другом не пересекаются. Они могут быть либо замкнутыми, либо заканчиваться на границах тела. Изменение температуры наблюдается в направлениях, пересекающих изотермические поверхности (например в направлении х), причем наибольшая интенсивность изменения температуры происходит в направлении нормали п к изотермическим поверхностям (рис.1.1). производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным градиентом, °С/м, т.е.

. (1.4)

Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности. Его положительным направлением считается направление в сторону повышения температуры.