ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

4.1. Основные понятия теории теплообмена

Под теплообменом понимают процесс распространения тепла как внутри тела от более нагретых частиц его к менее нагретым, так и между телами, имеющими различную температуру.

Теплообмен — сложный процесс. Для облегчения изучения его разделяют на (элементарные) простые виды теплообмена. Различают 3 элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и лучистый (радиационный) теплообмен.

Эти три вида передачи могут осуществляться только при наличии разности температур. Тепло переходит от нагретого тела к относительно холодному телу.

Рассмотрим каждый из элементарных видов теплообмена.

Теплопроводность. Теплопроводностью называют передачу тепла от одной части тела к другой или от одного тела к другому, находящемуся в соприкосновении с первым.

теплопроводность обусловлена движением микрочастиц вещества. При этом перенос энергии осуществляется:

а) в газах — путем диффузии и соударения молекул атомов;

б) в жидкостях и твердых телах диэлектриках — путем упругих волн. Более нагретые молекулы совершают более интенсивные колебания (тепловые колебания), которые благодаря силам взаимодействия между частицами тела распространяются в направлении менее нагретых областей;

в) в металлах — основное количество тепла передается посредством диффузии свободных электронов, а доля энергии, передаваемая при помощи упругих волн (упругие колебания кристаллической решетки), незначительна.

Конвекция. Под конвекцией тепла понимают перенос тепла пуьтем перемещения частиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом под частицей тела понимают элементарный объем его, содержащий, однако, большее число атомов или молекул этого тела. Другими словами, под частицей понимается макрочастица.

Конвекция тепла всегда сопровождается теплопроводностью, т.к. при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.

Совместный процесс конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом.

Различают свободный и вынужденный конвективный теплообмен.

При свободном конвективном теплообмене движение газа или жидкости возникает и осуществляется исключительно за счет разности плотностей нагретых и холодных их частиц.

При вынужденном конвективном теплообмене движение Среды обеспечивается за счет внешних сил (вентилятор, насос, компрессор).

Конветивный теплоомен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела называют конвективной теплоотдачей или теплоотдачей.

Лучистый теплообмен (тепловое излучение) — это процесс распространения энергии путем электромагнитных волн. При лучистом теплообмене происходит двойное превращение энергии — часть тепловой энергии излучающего тела переходит в лучистую и обратно, лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит в тепловую.

Процесс взаимного излучения и поглощения двух или нескольких тел, имеющих различную темепературу, и есть процесс теплообмена излучением.

Как правило, теплообмен протьекает одновременно посредством трех видов теплообмена или каких!либо двух из них.

В технике части имеют место процессы теплообмена между различными теплоносителями (жидкостями, газами), разделенными твердой стенкой. Процесс передачи тепла от теплоносителя, имеющего более высокую температуру, к теплоносителю с меньшей температурой через разделяющую их стенку называют теплопередачей.

Для характеристики процесса распространения тепла вводят понятие о тепловом потоке Q. Под ним понимают количество тепла, проходящее в ед. времени через данную изотермическую поверхность в направлении нормали к ней. Его размерность Вт.

Удобнее пользоваться удельной характеристикой теплового потока - удельным тепловым потоком (плотностью теплового потока) q.

Удельным тепловым потоком называют количество тепла, проходящее в ед. времени через ед. площади изотермической поверхности.

Размерность q

q = Вт / м²

Величина q является вектором, направление которого совпадает с направлением распространения тепла и противоположно направлению вектора температурного градиента.