ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА

3.1. Основные понятия и определения

Теплообменом принято называть обмен тепловой энергией между физическими телами (или системами), вызванный наличием разности температур этих тел (или систем). Такой перенос теплоты в соответствии со вторым законом термодинамики всегда имеет определенное направление от более нагретых тел (или систем) к менее нагретым.

Теплота может распространяться в любых веществах и даже через вакуум.

В реальных условиях теплообмен является сложным процессом. Однако ради простоты изучения различают три элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и тепловое излучение.

При теплопроводности перенос теплоты происходит за счет соударений.и диффузии частиц тел, а также квантов упругих колебаний их кристаллических решеток — фононов, при макроскопической неподвижности всей массы вещества. В наиболее чистом виде теплопроводность можно наблюдать в твердых телах и тонких неподвижных слоях жидкости и газа. В металлах и полупроводниках теплообмен осуществляется за счет соударений и диффузии свободных электронов, а также упругих колебаний кристаллической решетки, т.е. теплопроводность складывается из двух слагаемых — электронной и фононной. В металлах вторая слагающая мала, в полупроводниках она больше, а в диэлектриках — является основной.

Основной закон теплопроводности – закон Фурье – является феноменологическим описанием процесса и имеет вид

где q —удельный тепловой поток, Вт/м²; l— коэффициент теплопроводности вещества, Вт/(м×К); grad t — градиент температуры, К/м.

Под конвекцией теплоты понимают процесс передачи ее из одной части пространства в другую перемещающимися макроскопическими объемами жидкости или газа. В зависимости от причины, вызывающей движение, конвекция может быть свободной (естественной) или вынужденной, происходящей за счет действия внешних сил. Естественное или свободное движение жидкости или газа, а следовательно, и конвекция теплоты, вызываются разностью удельных весов неравномерно нагретой среды; принудительное, движение осуществляется нагнетателями (насосами, вентиляторами, компрессорами и др.).

Из определения конвекции следует, что количество передаваемой конвекцией в единицу времени теплоты прямо связано со скоростью движения среды. Теплота передается главным образом в результате проходящих потоков жидкости, или газа (макрообъемов), но отчасти теплота распространяется и в результате обмена энергией между частицами, т.е. теплопроводности. Таким образом, конвекция всегда сопровождается, теплопроводностью (кондукцией), следовательно, теплопроводность является, неотъемлемой частью конвекции. Совместный процесс конвекции теплоты и теплопроводности называют конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между потоком теплоносителя и поверхностью называют конвективной теплоотдачей, или теплоотдачей соприкосновением, и описывают формулой Ньютона–Рихмана:

где q_к– удельный поток теплоты, Вт/м²; α_к – коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м×К); Dt – средняя .разность температур между греющей средой и нагреваемой поверхностью (температурный напор), К.

Величину, обратную коэффициенту теплоотдачи, 1/α называют термическим сопротивлением. Коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от многих факторов: скорости потока и характера движения, формы и размера обтекаемого тела, свойств и состояния среды и пр.

При теплообмене излучением (называемом также лучистой и радиационной теплоотдачей) тела не соприкасаются друг с другом и перенос теплоты между ними при наличии: разности температур Т₁ > Т₂осуществляется с помощью электромагнитной энергии. Происходит двойное превращение энергии – в теле с температурой Т₁теплота превращается в излучение — носитель электромагнитной энергии, а в теле с температурой Т₂в результате поглощения излучения электромагнитная энергия снова превращается в теплоту.

Результирующий тепловой поток от излучающей среды с aбсолютной температурой Т_окр к поверхности, средняя абсолютная температура которой равна Т_с, определяется по формуле, вытекающей из закона Стефана—Больцмана:

где q_л – плотность теплового потока, Вт/м²; s₀ — коэффициент излучения, Вт/(м²×К⁴); e_пр — приведенная степень черноты, зависящая от свойств изучающей среды и поверхности и выражениях в долях от степени черноты абсолютно черного тела, принимаемой за единицу.

Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность F, в теории теплообмена принято называть тепловым потоком и обозначать буквой Q, Вт.

Следовательно,

Возможны любые сочетания из трех указанных элементарных видов теплообмена. Такой сложный теплообмен, всегда имеющий место в реальных условиях, называется собственно теплопередачей. Примером его может служить теплообмен между топочными газами в паровом котле и водой, движущейся по трубам, расположенным в топке и газоходах. Передача теплоты от факела горящего топлива к наружным поверхностям стенок труб осуществляется лучеиспусканием; от горячих газов к этим поверхностям — конвективной теплоотдачей, через стенки труб – теплопроводностью, а от внутренних стенок к воде – конвективной теплоотдачей.