Виды теплообмена и теплопередача

Теплопередача – сложный процесс перехода тепла от более нагретой жидкости или газа (пара) к менее нагретой среде через разделяющую их стенку.

Тепло может передаваться посредством теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Теплопроводность – распространение тепла в неравномерно нагретом теле, обусловливаемое передачей тепловой энергии непосредственно соприкасающимися частицами тела. Теплообмен происходит пока температура во всем теле уравняется.

Конвекция – перенос тепловой энергии в жидкости или газе (паре) перемещением их частиц из одной части объема в другую. Перемещение частиц происходит вследствие разницы удельных весов в различных точках объема, из-за неравномерности температур в нем или в результате воздействия из вне. Конвекция тепла сопровождается явлением теплопроводности.

Тепловое излучение – превращение тепловой энергии в лучистую с передачей ее в окружающее пространство.

Лучистая энергия поглощается в большей или меньшей степени другими телами и превращается вновь в тепловую. Указанные виды теплообмена не обособлены и один вид сопровождается другим.

Теплопроводность объединяет понятия:

- температурное поле – совокупностью значений температуры во всех точках тела в данный момент времени;

- температура точки тела – функция ее положения и времени . Если не изменяется, то температурное поле стационарно т.е. ;

- изотермическая поверхность – геометрическая поверхность точек с одинаковой температурой;

- температурный градиент равен изменению температуры на единицу длины нормали к изотермической поверхности и служит мерой инертности изменения температуры в данной точке.

, ºС/м,

- тепловой поток – количество тепла к единице времени и единицы поверхности в направлении нормали к ней.

Закон Фурье – температурный поток пропорционален температурному градиенту.

, кДж/м²с,

где - коэффициент теплопроводности – количество тепла проходящего через м² поверхности в единицу времени при изменении температуры на 1ºС на метре длины нормали к изотермической поверхности – кДж/(м с ºС).

Характеризует способность вещества проводить тепло и зависит от температуры и в некоторой степени от давления.

Конвективный теплообмен

Теплоотдача – процесс переноса тепла от жидкой или газообразной (паровой) среды к стенке путем конвекции и теплопроводности.

Закон Ньютона – количество тепла, отданного телом в окружающую среду, пропорционально разности температур поверхности тела и среды, а также величине поверхности теплоотдачи и времени:

, кДж.

Коэффициент теплоотдачи точки можно определить из критериальных зависимостей полученных на базе теории подобия проходящих процессов тепло и массообмена.

Теория подобия и теплоотдача

Процессы подчиненные одним и тем же физическим законам называются подобными. Все величины, характеризующие один процесс могут быть получены умножением величин, характеризующих другой процесс на постоянные числа – константы подобия. Из величин характеризующих процесс составляют безразмерные степенные комплексы называемые критериями подобия. Они одинаковые для всех подобных процессов. Теория подобия применяется для процесса конвективного теплообмена и имеет следующие критерии:

Критерий Нуссельта – характеризует интенсивность теплообмена на границе жидкость – стенка:

,

где - коэффициент теплоотдачи, - определяющий размер, - коэффициент теплопроводности.

Критерий Рейнольдса – характеризует соотношение сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости:

; , нс/м²,

где - плотность вещества, - скорость движения, - определяющий размер, - динамическая вязкость м²/с, - кинематическая вязкость.

Критерий Пекле – характеризует тепловые потоки при конвективном теплообмене:

;

где - скорость движения вещества, - определяющий размер, - коэффициент температуропроводности.

Критерий Прандля – характеризует физические свойства жидкости

,

где

Критерий Кутателадзе – характеризует изменение агрегатного состояния вещества:

;

где - удельная теплота парообразования, - удельная теплоемкость вещества, - разность температур.

Критерий Фурье – характеризует скорость изменения температурного поля:

.

Критерий Грасгофа – характеризует взаимодействие подъемных сил и сил вязкости:

,

где  - коэффициент объемного теплового расширения, 1/^оС.

Критерий Галилея – характеризует движение жидкости, вызываемое разностью плотностей отдельных ее частиц:

; .

Для некоторых, часто встречающихся процессов теплообмена, уже существуют критериальные зависимости которые можно применять для расчетов различных тепловых процессов, как в тепловых, так и в холодильных машинах.