1. Понятие о теплообмене и его вид

Для получения тепла, необходимого для работы тепловых аппаратов, используют органическое топливо (твердое, жидкое, газообразное), электроэнергию и теплоносители.

При сжигании химическая энергия органического топлива за счет окисления превращается в тепловую. Преобразование электрической энергии в тепловую в электронагревательных элементах электротепловых аппаратов.

Переход тепла от более нагретого тела к менее нагретому происходи самопроизвольно, без затрат механической энергии. Такой переход тепла назевается теплообменом. Существует два вида теплообмена: теплообмен соприкосновением и излучением. Теплообмен соприкосновением осуществляется за счёт непосредственного соприкосновения тел с различной температурой. Наиболее часто встречается теплообмен соприкосновением между твёрдыми телами и жидкостью (газом). При этом наблюдается передача тепла теплопроводностью и конвекцией.

Теплообмен излучением происходит при отсутствии контакта между телами.

Распространение тепла осуществляется тремя способами: теплопроводность, конвекция и излучением. В твёрдом теле распространение тепла осуществляется только теплопроводностью.

Практически один вид теплообмена сопровождается другим, при этом один из них имеет преобладающее значение. Например, в газовых плитах тепло от продуктов сгорания газа передаётся одновременно конвекцией и излучением.

2. Основные способы теплообмена и их характеристика

Теплопроводность.

Теплопроводность как физическое явление представляет собой перенос тепла беспорядочно движущимися микрочастицами, непосредственно соприкасающимися друг с другом. Перенос тепла осуществляется вследствие теплового движения и взаимодействия молекул и атомов. Из которых состоит данное тело. Сущность теплопроводности заключается в том, что молекулы и атомы более нагретой части тела, обладающей большей кинематической энергией, при соприкосновении с молекулами менее нагретой части тела передают последним часть своей энергии.

Процесс может проходить при условии, что в различных частях тела температура не одинакова, и наблюдается в любых телах – твёрдых, жидких и газообразных, только в чистом виде этот процесс возможен только в твёрдых телах. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы. Например, передача тепла теплопроводностью происходит через стенку пищеварочного котла. Через толщу чугунного настила плиты.

Рассмотрим передачу тепла через плоскую стенку. Количество тепла, переходящие от одной поверхности стенки к другой, прямо пропорционально площади поверхности стенки, разности температур и времени, обратно пропорционально толщине стенки и зависит от свойства материала. Из которого изготовлена стенка.

Коэффициент теплопроводности для различных веществ различен и зависит от структуры, плотности, влажности и температуры. Пористые материалы имеют низкий коэффициент теплопроводности, так как поры заполнены воздухом, который в неподвижном состоянии плохо проводит тепло. При увлажнении пористых материалов теплопроводность их увеличивается в связи с тем, что вода проводит тепло лучше, чем воздух.

Материалы с низким коэффициентом теплопроводности называют теплоизоляционными и используют в качестве теплоизоляции. Для изготовления поверхности нагрева тепловых аппаратов применяют металлы и их сплавы, обладающие высоким коэффициентом теплопроводности.

Конвекция.

Конвекцией называется процесс переноса тепла при перемещении частиц жидкости или газа с различной температурой. Процесс теплообмена между жидкостью (газом) и поверхностью твердого тела, которую омывает эта жидкость, называется конвективным теплообменом или теплоотдачей. При этом тепло передается одновременно теплопроводностью и конвекцией.

Теплообмен конвекцией представляет сложный процесс и зависит от ряда факторов. Перенос тепла связан с переносом самой среды. Следовательно, теплообмен зависит от характера и скорости движения жидкости или газа. Различают два вида движения жидкости или газа: свободное и вынужденное. Если движение вызвано какой либо внешней силой работой вентилятора, насоса), оно называется вынужденным (вынужденная конвекция). Если движение происходит только за счет разности плотностей нагретых и холодных частиц, такое движение называется свободным (естественная конвекция). Интенсивность свободного движения зависит от рода жидкости, ее объема и разности температур. При нагреве жидкости, находящейся в котле, в начале нагреваются частицы, расположенные у стенок, и как более легкие поднимаются в верх, с их место занимают более холодные частицы, в результате происходит циркуляция жидкости как около стенок, так и по всему объему. Примером конвекционного теплообмена является перенос тепла от горячих продуктов сгорания к стенкам газоходов, от радиаторов системы отопления к воздуху помещения, от стенок к содержимому варочного котла и т.д.

Теплообмен между жидкостью и стенкой осуществляется конвекцией и теплопроводностью. На небольшом расстоянии от стенки скорость движения жидкости не значительная, поэтому вдоль стенки так называемый пограничный слой, через который тепло передается в основном теплопроводностью. Этот слой препятствует переносу тепла и в нем происходит наибольшее изменения температуры. Для улучшения теплообмена пограничный слой разрушают перемешиванием. При это скорость движения жидкости увеличивается и перенос тепла осуществляется более интенсивно.

Тепловое излучение.

Теплообмен теплопроводностью и конвекцией возможен только при непосредственном соприкосновении тел либо частиц одного тела. Теплообмен между телами, находящимися на расстоянии, осуществляется с помощью тепловых лучей.

В нагретом теле часть тепловой энергии обязательно превращается в лучистую. Тепловое излучение – это процесс распространения тепловой энергии с помощью электромагнитных волн. Возбудителями электромагнитных волн являются заряженные частицы тел – электроны и ионы. Интенсивность колебания этих частиц зависит от температуры тела: чем выше температура тела, тем интенсивней испускание тепловых лучей.

Тепловые (инфракрасные) лучи распространяются прямолинейно от более нагретого к менее нагретому. При этом часть энергии падающей на это тело поглощается, часть отражается, а часть проходит сквозь тело. Зависит это от свойства тела, на которое падают тепловые лучи. Энергия тепловых лучей поглощаемых телом, преобразуется в тепловую энергию, поэтому температура этого тела повышается. При лучистом теплообмене наблюдается двойное взаимное превращение энергии: тепловая - лучистая – тепловая. Твердые тела и некоторые жидкости (вода, спирты) практически не прозрачны для тепловых лучей, поэтому поглощение энергии ими происходит в поверхностном слои. Другим слоям тепло передается теплопроводностью либо конвекцией. Поглощающая способность тел с шероховатой поверхностью больше, чем с гладкой.

Иногда возникает необходимость уменьшить теплообмен излучением, в этом случае или уменьшают температуру излучающего тела или, чаще, устанавливают перегородки (экраны), которые производят из металлов с малой поглощающей и большой отражательной способностью. Экраны устанавливают на пути лучей, идущих от горячего тела к холодному, например у огневых плит под конфорками под топочным пространством.