Введение

Процессы теплообмена и связанного с ним массообмена играют исключительную роль в природе и технике. Действительно, от них зависит температурный режим окружающей среды. От них зависит протекание рабочего процесса в самых разных технологических установках. Неудивительно поэтому, что теория теплообмена интенсивно развивалась, особенно в последние десятилетия. Это связанно с потребностями теплоэнергетики, атомной энергетики, космонавтики. Интенсификация различных технологических процессов, а также создание оптимальных с точки зрения энергозатрат установок немыслимо без глубокого изучения теплофизических процессов, которые имеют место в этих установках.

Цель данной части курса – познакомить слушателей с осно­вами теплопередачи. В курсе мы рассмотрим коротко основные методы решения задач теплопроводности, в том числе и численные методы с применением ЭВМ. Один из разделов будет посвящен кон­вективному и радиационному теплообмену. В конце курса рассмот­рим решение задачи теплопроводности с помощью численного ме­тода – метода конечных элементов.

Тепловые процессы в ЭТУ – это довольно сложные физиче­ские явления. При анализе физических процессов необходимо выяс­нить их движущие силы. При этом сложные процессы часто рас­сматривают как совокупность простых явлений. То есть, неизбежны некоторые упрощения. Так обстоит дело и при изучении теплопере­носа. Обычно эти процессы теплопереноса связаны с процессами массообмена. В совокупности эти явления рассматриваются в про­цессах сушки, испарения, когда передача тепла обусловлена не только собственно теплопередачей, но и движением массы испаряе­мой влаги.

Во многих процессах теплообработки, массообмен не играет существенной роли. Например, при нагреве различных твердых объ­ектов. В нашем курсе в большинстве случаев мы будем пренебрегать процессами массообмена.

В соответствии с поставленными задачами данный курс подразделяется (состоит) на две части:

• в первой части (основной) мы будем рассматривать различ­ные виды теплообмена (теплопроводность, конвективный и радиационный теплообмен);

• во второй части – рассмотрим теоретические основы электронагрева в различных установках: в печах сопротивле­ния, в установках индукционного, дугового, диэлектриче­ского, плазменного нагрева, в электронно-лучевых нагре­вательных установках.

Теория теплопроводности

При анализе любого физического процесса исследователь пы­тается выяснить движущие силы процесса, и если это можно пред­ставить в виде простых процессов, то есть упрощение неизбежно.

Механизмы переноса тепла

Теплообмен – необратимые самопроизвольные процессы распространения теплоты в пространстве. Осуществляется тремя спо­собами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью теплоты в про­странстве. Наблюдается в твердых телах.

Конвекция – возможна только в текучей среде – это процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой, то есть за счет переноса самой среды. Это перемещение нагретого воздуха вверх за счет того, что он имеет меньшую плот­ность.

Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с по­мощью электромагнитных волн, обусловленный только температу­рой и оптическими свойствами излучающего тела; при этом энергия внутренняя переходит в энергию излучения.

Теплообмен излуче­нием – процесс превращения внутренней энергии вещества в энер­гию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом.

В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты очень часто происходят совместно.

Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный перенос теплоты конвекцией и те­плопроводностью называется конвективным теплообменом.

Процессы теплопроводности и конвективного теплообмена могут сопровождаться теплообменом излучением. Теплообмен, обусловленный совместным переносом теплоты излучением и тепло­проводностью, называют радиационно-конвективным теплообме­ном. Если перенос теплоты осуществляется дополнительно и кон­векцией, то такой процесс называют радиационно-конвективным те­плообменом. Иногда такие виды теплообмена называют сложным теплообменом.