ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Тепловые процессы или теплообмен – обобщенное название процессов передачи энергии в виде теплоты между телами, имеющими различную температуру.

Движущей силой процесса теплообмена является разность температур. Причем передача теплоты осуществляется от тела с большей к телу с меньшей температурой.

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Измерение температуры можно производить только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Применяемые для этого тела (вещества) называются термометрическими, а устанавливаемая с их помощью шкала температуры – эмпирической. В качестве исходных значений, служащих при построении шкалы температуры для установления начала отсчета температуры и единицы ее измерения – градуса, применяется температура перехода химически чистых веществ из одного состояния в другое, например температуры плавления льда t_пл и кипения воды t_кип при нормальном атмосферном давлении.

Эти величины в зависимости от типа шкалы имеют следующие значения:

· шкала Цельсия (стоградусная шкала): t_пл = 0°С, t_кип = 100°С;

· шкала Фаренгейта: t_пл = 32°F, t_кип = 212 °F. Связь между температурами, выраженными в градусах Цельсия и Фаренгейта, имеет вид

· шкала Кельвина: температура Т отсчитывается от абсолютного нуля (t = -273,15°С) и называется абсолютной температурой. Связь между значениями температуры по шкале Кельвина (Т, К) и шкале Цельсия (t, °С) имеет вид

Таким образом, шкалы Кельвина и Цельсия только смещены друг относительно друга.

К тепловым процессам, используемым в промышленности, относятся процессы нагревания, охлаждения, испарения и конденсации.

Вещества и тела, участвующие в процессе теплообмена, называются теплоносителями. Теплоносители с более высокой температурой, отдающие теплоту в процессе теплообмена, называются горячими теплоносителями, вещества с более низкой температурой, воспринимающие теплоту в процессе теплообмена, называются холодными теплоносителями.

Передача теплоты может осуществляться как при непосредственном соприкосновении теплоносителей, таки через тепло проводящую стенку (поверхность теплообмена) и является основным расчетным конструктивным параметром теплообменных аппаратов (теплообменников).

Различают стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся) теплоо6менные процессы.

При стационарных процессах, характерных обычно для непрерывно действующих теплообменных устройств, температура в каждой точке рабочего объема (тела) не меняется во времени. При нестационарных процессах, характерных для периодически действующего оборудования, температура, напротив, меняется во времени.

Совокупность значений температур во всех точках объема (тела) называется температурным полем и описывается функцией

t =f(x, y, z, τ),

где t – температура в рассматриваемой точке с координатами х, у, z в момент времени τ. Кроме трехмерного температурного поля, в зависимости от условий проведения процесса и числа используемых координат могут рассматриваться двумерные х, у и одномерные х температурные поля.

Так же, как тепловые процессы, температурное поле может быть стационарным и нестационарным.

Изотермическая поверхность в температурном поле – поверхность, объединяющая точки с одинаковыми температурами. Из-за отсутствия разности температур теплота вдоль такой поверхности не распространяется.

Теплота в температурном поле, таким образом, может распространяться только между изотермическими поверхностями. При этом степень интенсивности изменения температуры характеризуется температурным градиентом, выраженным пределом отношения приращения температуры Δt к расстоянию между изотермическими поверхностями Δn, направленным по нормали к этой поверхности,

Передача теплоты осуществляется в том случае если grad t ≠0. Следует, однако учитывать, что поскольку передача теплоты осуществляется по линии температурного градиента от более нагретого к более холодному телу, т. е. в сторону понижения температуры

Количество передаваемой теплоты описывается основным кинетическим уравнением теплопередачи в дифференциальном виде

а для стационарных процессов в интегральном

где dQ, Q – количество переданной теплоты; К – коэффициент теплопередачи; Δt, Δtсp – разность и средняя разность температур; dF, F – элемент поверхности и поверхность теплообмена; dτ, τ – время осуществления процесса передачи теплоты.