Основные виды теплообмена.

Определение 3. Теплопередача "зиждется" на трёх китах, т.е. существует всего три способа или механизма передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплообмен – это сложный процесс. Однако ради простоты изучения принято различать три элементарных вида теплообмена. Здесь использован древний совет: DIVIDE ET IMPERA – дивиде эт импэра (лат.) – разделяй и властвуй.

1. Теплопроводность или кондукция (conduction – проводник) определяется тепловым движением микрочастиц тела (молекул, атомов, ионов, электронов и т.д.). Пример с нагревом стержня с одной стороны. За счет чего нагревается холодный конец стержня? Здесь происходит обмен энергией путём столкновений. В металлах за счет движения свободных электронов и ионов решетки. В твердых диэлектриках и жидкостях – за счет переноса упругих звуковых волн, т.е. движения фононов. В газах – за счет диффузии молекул.

Теплопроводность характерна в основном для твёрдых, реже жидких тел.

В 1807году Фурье выдвинул гипотезу, что тепловой поток теплопроводностью пропорционален температурному градиенту, т.е. что Q~∆T/∆Х.

2. Конвекция – это процесс передачи тепла из одной части пространства в другую перемещающимися макроскопическими объёмами жидкости или газа. Название произошло от английского "convection", что означает перемешивание. В зависимости от причины, вызывающей движение различают:

Свободная (естественная) конвекция происходит за счёт разности плотностей  неравномерно нагретой среды, обусловленной согласно определению 2 разностью температур t. (Примеры свободной конвекции – отопление помещения, песок на летнем пляже (можно видеть марево – движение воздуха от нагретого песка), пламя свечи (возле приоткрытой двери вверху и внизу ведет себя по-разному), жидкий металл внутри кокилей, стале- и чугуноразливочных ковшей.

Вынужденная конвекция – когда движение среды осуществляется принудительно нагнетателями (насосами, вентиляторами и т.д.). Вынужденная конвекция, как правило, гораздо интенсивней чем свободная. Примеры: течение воды внутри батарей центрального отопления; эксгаустеры в аглоцехах, дымососы, вентиляторы и т.д.

Конвективный теплообмен между жидкостью или газом и поверхностью твёрдого тела называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей. : Тепловой поток при конвекции определяется законом Ньютона-Рихмана, основным законом теплоотдачи или Q= (t_ж-t_ст.)F, Вт,

где  - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К; F – поверхность теплообмена, м²; t_ж и t_ст - температура жидкости вдали от стенки и поверхности стенки, ^оС.

Если теплопроводность и конвекция требуют наличия непосредственного контакта между теплообменивающимися телами, то для 3^го "кита" – излучения

это необязательно. Оно может передаваться через вакуум, т.е. в отсутствии какой-либо среды.

3. Излучение или лучистый теплообмен – это процесс преобразования тепла в лучистую, электромагнитную форму энергии и передачи её в окружающее пространство.

Или по-другому: "Любое тело, имеющее абсолютную температуру выше 0^оК способно и вынуждено превращать часть своей внутренней энергии в тепловые лучи, которые попадая на окружающие предметы частично поглощаются, частично отражаются и частично проходят сквозь тело. Примеры: теплообмен между солнцем и Землей, лампы накаливания, сильно разогретые тела.

Тепловой поток при излучении определяется законом Стефана Больцмана Q=(T⁴ _пов-T⁴_ос)F, Вт, где Т_п и Т_о.с.,– температура поверхности и окружающей среды, ^оК;

 - коэффициент излучения, Вт/м²к⁴.

В реальных условиях присутствуют все три механизма передачи, но вклад каждого в каждом конкретном случае может быть разным. Пример: охлаждение слитка или отливки на воздухе осуществляется так называемым сложным теплообменом

Q_=Q_Т+Q_К+Q_Л ,

где Q_Т, Q_К, Q_Л – тепловые потоки теплопроводностью, конвекцией и излучением. При высоких температурах преобладает излучение, тогда Q_ Q_Л.

Для простоты изложения будем все три механизма изучать по отдельности.

Изменение ( увеличение при нагреве от температуры до и уменьшение при охлаждении. Линейных размеров тела можно определить по следующей приближенной формуле : ,

где - первоначальный размер стержня при температуре , м

- линейный коэффициент термического расширения, 1/K

«+» - относится к нагреву, а «-» - к охлаждению тела.

Изменение размеров тела при нагреве в «стеснённых» условиях могут привести к термическим напряжениям согласно закону Гука – основному закону термоупругости [3] :

, Па,

где Е- модуль упругости, Па

- относительная деформация,

Следует различать напряжения: осевые (растягивающие с сжимающие – отрицательные), радиальные и тангенциальные.

При значительных скоростях нагрева в телах могут возникать термические напряжения, превышающие допустимые для данного материала и приводящие к разрушению тела.