20) Способы передачи теплоты.

В котельных установках теплота продуктов горения топлива передается рабочему телу (нагреваемой воде, пароводяной смеси, пару, воздуху) разными способами — тепловым излучением (радиацией), конвекцией и теплопроводностью.

Тепловое излучение (радиация) — процесс распространения тепловой энергии от одного тела к другому на расстоянии путем электромагнитных волн, например, от факела к поверхностям нагрева котельного агрегата.

Конвекция — процесс переноса тепловой энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве. Конвекция является естественной (свободной), если движение вызвано разностью плотностей жидкости или газа. Пример естественной конвекции — распространение теплоты в помещении от горячей батареи. Слои воздуха, находящиеся в соприкосновении с горячей батареей, нагреваются, плотность нагретого объема воздуха уменьшается и он вытесняется вверх более тяжелым холодным воздухом.

При движении жидкости или газа под давлением, создаваемым насосом или вентилятором, конвекцию называют вынужденной.

Теплопроводность — это передача теплоты между непосредственно соприкасающимися частями тела. Этот вид теплообмена отражает процесс переноса тепловой энергии в результате теплового движения атомов, молекул, свободных электронов вещества. Теплопроводность приводит к выравниванию температуры тела. Так осуществляется, например, передача теплоты от наружной стенки обогреваемой трубы к внутренней поверхности трубы, омываемой более холодным теплоносителем. Явления теплопроводности наблюдаются в твердых телах, газах и жидкостях.

Тепловое состояние тела характеризуется уровнем его температуры. Если температура отдельных частей тела не одинакова, то при наличии теплопроводности она меняется непрерывно от точки к точке в так называемом температурном поле. Это вид теплопередачи, при котором тепловая энергия передается без перемещения вещества.

Самопроизвольный перенос тепловой энергии приводит к выравниванию температуры в сторону убывания ее начального значения. Количество переносимой теплоты в единицу времени Q, кДж/с, или кВт, называется тепловым потоком. Тепловой поток через единицу площади сечения или поверхности F, м2, в сторону убывания температуры называется плотностью теплового потока q, кВт/м2, или удельным тепловым потоком

q = Q / F

При передаче теплоты путем теплопроводности количество переданной теплоты зависит от вида материала и разности температур на границах тела. Способность вещества проводить теплоту характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, Вт/(м • К).

Значения коэффициента теплопроводности для разных веществ сильно различаются, но для каждого из них зависят от структуры; плотности, влажности, давления и температуры. Примерные значения коэффициента теплопроводности для некоторых веществ указаны в табл. Из приведенных данных следует, что лучшими проводниками теплоты являются металлы, а худшими — газы.

В жидких средах и газах перенос теплоты в основном осуществляется в процессе перемещения вещества, т.е. путем конвекции. При малых скоростях движения характер течения частиц вещества струйчатый (ламинарный режим), а при больших — неупорядоченно-вихревой (турбулентный режим). Переход из ламинарного режима в турбулентный зависит от скорости движения ω, вязкости жидкости (или газа), диаметра трубопровода (или канала) d.

Количество переносимой теплоты путем конвекции, кДж/с:

Q = αF (tст - tж)

где α — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 • К), значение которого равно количеству теплоты, переданной в единицу времени через единицу поверхности при разности температур стенки tст и жидкости tж в 1 К (или, что то же, 1 °С).

Коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции увеличивается с ростом скорости движения теплоносителя, при уменьшении диаметра труб. Коэффициент теплоотдачи зависит также от направления движения теплоносителя по отношению к омываемой поверхности нагрева (продольное или поперечное движение).

При прочих равных условиях (скорость движения и температура теплоносителя, диаметр труб и т.д.) коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании шахматного пучка труб выше, чем при коридорном их расположении.

В нагретом теле всегда часть тепловой энергии превращается в лучистую. Лучеиспускание свойственно всем телам и каждое из них постоянно излучает энергию. При попадании на другие тела эта энергия частично поглощается, отражается и проходит сквозь тело. Та часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую. Часть энергии, которая отражается, попадает на другие рядом находящиеся тела и поглощается ими. То же происходит и с частью энергии, которая проходит сквозь тело.

Другими словами, тела постоянно излучают и поглощают лучистую энергию. Таким путем, связанным с двойным взаимным превращением энергии (тепловая — лучистая — тепловая), осуществляется процесс лучистого теплообмена. Количество отдаваемой или воспринимаемой теплоты определяется разностью количеств излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергии.

Ранее элементарные явления переноса теплоты были рассмотрены раздельно. В реальных условиях эти процессы, как правило, протекают одновременно и действуют совместно. Например, от высокотемпературных продуктов сгорания топлива к внешней поверхности кипятильных труб в паровом котле перенос теплоты осуществляется конвекцией и излучением; через стенку трубы, которая имеет наружные загрязнения с внешней стороны и слой накипи с внутренней, теплота передается теплопроводностью, а от внутренней поверхности трубы к воде — конвекцией. В целом такой процесс называется теплопередачей, и его количественной характеристикой является коэффициент теплопередачи К, определяющий интенсивность передачи теплоты через единицу поверхности в единицу времени от одного теплоносителя к другому при разности температур между ними в 1К (или 1 °С). В расчетной формуле теплопередачи Q, кВт, учитывается площадь поверхности нагрева F, м2, и усредненная по поверхности нагрева разность температур продуктов горения и нагреваемой воды, ΔТ, К:

Q = KFΔТ

Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м2-К), в общем случае определяется в виде следующего уравнения.