ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА

[1] [2]

ТЕОРИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Процессы теплообмена

Теплопередача — наука, изучающая процессы распространения теплоты в пространстве и передачи ее от одних тел другим. Перенос теплоты от одного тела другому или теплообмен между частями одного и того же тела происходят только при наличии разности температур.

В процессе теплового воздействия одного тела на другое теплота в соответствии со вторым законом термодинамики самопроизвольно переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. При отсутствии разности температур процесс теплопереноса прекращается, и наступает тепловое равновесие тел.

Различают три способа распространения теплоты в природе — теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение {радиацию), и два вида теплообмена между телами — конвективный и лучистый.

Процесс распространения теплоты теплопроводностью является молекулярным и происходит при непосредственном соприкосновении тел или частиц тел с различной температурой. В результате соударения частиц вещества (молекул, атомов и свободных электронов) происходит обмен энергией их теплового движения: интенсивность движения частиц тела, обладающих меньшей внутренней кинетической энергией, увеличивается, а интенсивность движения частиц тела, обладающих большей внутренней кинетической энергией, уменьшается.

Механизм распространения теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела: в газообразных телах перенос теплоты теплопроводностью происходит в результате соударения молекул между собой; в металлах — путем диффузии свободных электронов; в капельных жидкостях и твердых телах — путем упругих волн (упругие колебания кристаллической решетки).

Конвекцией называется процесс распространения теплоты путем перемещения жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция в отличие от распространения теплоты теплопроводностью может происходить только в жидкостях и газах и обусловливается перемещением самой среды. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, поскольку при перемещении жидкости или газа отдельные части тела, имеющие разные температуры, всегда соприкасаются.

Одновременное распространение теплоты конвекцией и теплопроводностью носит название конвективного теплообмена.

Различают естественную (свободную) и искусственную (вынужденную) конвекцию. Причиной перемещения жидкости или газа из одной части пространства в другую может быть различие плотностей отдельных частей жидкости или газа из-за их неравномерного нагрева. Более легкие объемы жидкости или газа будут подниматься вверх, а на их место будут опускаться более холодные объемы, обладающие большей плотностью. В этом случае характер движения и теплообмена определяется только условиями нагрева (температурным полем). Такое движение жидкости или газа называется свободным, а теплообмен — конвективным теплообменом в свободном потоке.

В том случае, когда движение жидкости или газа вызвано искусственно (вентилятором, насосом, компрессором и т.д.) и не связано с тепловым воздействием, такое движение жидкости или газа называется вынужденным, а теплообмен — конвективным теплообменом в вынужденном потоке.

Тепловое излучение {радиация, лучистый перенос теплоты) — это излучение, возникающее в результате возбуждения частиц вещества (атомов, молекул, ионов и пр.) и распространяющееся в пространстве электромагнитными волнами. Скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве (в вакууме) составляет 300 000 км/с.

При лучистом теплообмене происходит двойное превращение энергии. Внутренняя энергия излучающего тела сначала переходит в лучистую, т.е. в энергию, переносимую излучением, а затем лучистая энергия распространяется в пространстве, пока не встретит непрозрачное тело, которое полностью или частично поглотит эту лучистую энергию. При этом происходит преобразование лучистой энергии во внутреннюю энергию поглощающего тела.

Передача теплоты теплопроводностью и конвекцией происходит только в вещественной среде (в твердых телах, жидкостях, газах), в то время как перенос теплоты излучением может происходить в вакууме, т.е. без участия среды.

Необходимо отметить, что в реальных условиях весьма редко какой- либо из указанных способов распространения теплоты и видов теплообмена встречается изолированно. Так, например, в топочном пространстве котельного агрегата теплота передается от продуктов сгорания топлива к наружным стенкам кипятильных труб конвективным и лучистым теплообменом. Через стенки труб теплота передается теплопроводностью, а затем происходит процесс теплообмена между внутренними стенками труб и кипящей водой или паром. Совокупность этих видов теплообмена называется сложным теплообменом.

В различных машинах и аппаратах передача теплоты от одной движущейся жидкости к другой осуществляется через разделяющую их твердую стенку. Такой процесс переноса теплоты называется теплопередачей.

Задачей учения о теплообмене является изучение закономерностей всех видов теплообмена.

  • [1] В результате изучения данного раздела студент должен: знать • основные понятия теории теплообмена: теплопроводность, конвекция, излучение, теплопередача, интенсификация теплообмена; • основы теории теплообмена, теории тепломассообменных устройств; • конструктивные признаки теплообменных аппаратов; уметь • самостоятельно и творчески применять законы и методы теплопередачи; • математически описывать рассматриваемые явления; использовать возможности вычислительной техники и программного обеспечения для решения задачтеплообмена;
  • [2] выполнять расчеты процессов теплоотдачи и теплопередачи, а также расчетытеплообменного оборудования и его оптимизацию; владеть • теоретическими основами тепло- и массообмена; • методами расчета процессов теплообмена; • основами современных методов проектирования и расчета теплообменногооборудования.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >