Основные виды теплообмена, теплоемкость и энтальпия

Теплообмен – процесс переноса тепла, осуществляемый тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением [7].

Примером теплопроводности является распространение тепла через плоскую разделительную стенку толщиной (рис. 1).

Рис. 1. Распределение температур в плоской стенке

Количество тепла, проходящего через плоскую стенку будет равно

, (2)

где Q – количество тепла, проходящего через стенку, ккал/ч; – ко­эффициент теплопроводности, ккал/м·ч·гр.; – толщина разделительной стенки, м; – разность температур между противоположными поверхностями разделительной стенки, °С; F – площадь поверхности разделительной стенки, м².

Конвекция – процесс переноса тепла благодаря перемещению нагретых сред.

Излучение – процесс передачи тепла в виде лучистой энергии. Нагретое тело излучает энергию в виде электромагнитных колебаний; другое тело поглощает энергию и нагревается. В котельном агрегате тепло от продуктов сгорания к воде или пару передается при сложном теплообмене, т. е. всеми тремя способами. В топке большая часть тепла передается излучением, а в хвостовых поверхностях нагрева – конвекцией.

В обоих случаях тепло передается через стенку трубы от продуктов сгорания к воде или пару посредством теплопроводности. Внутренние или наружные отложения (загрязнения) поверхностей нагрева в виде накипи или отложений сажи снижают теплопроводность и вызывают перегрев металла труб.

Под удельной теплоемкостью (С) понимают количество тепла в ккал, которое необходимо затратить, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 °С. Удельная теплоемкость имеет размерность ккал/кг·гр. Теплоемкость газов зависит от их природы, температуры и условий, в которых происходит нагревание или охлаждение. Если процесс подвода тепла идет при постоянном давлении, то тепло расходуется на нагревание газа и его расширение, то есть на совершение работы. При нагревании газа при постоянном объеме все тепло затрачивается на увеличение внутренней энергии газа, то есть на повышение температуры.

В связи с этим теплоемкость газа при постоянном давлениивсегда больше теплоемкости при постоянном объеме. В котельных установках чаще пользуются теплоемкостью при постоянном давлении, которую находят для определенных условий с помощью таблиц и графиков.

Энтальпия(i) определяет работоспособность рабочего тела и для процессов, протекающих при постоянном давлении ( ), численно равна количеству тепла, передаваемого рабочему телу в процессе его нагревания:

i = , (3)

где i – энтальпия, ккал/кг; – удельная теплоемкость газа при посто­янном давлении, ккал/кг·гр.; t – температура, °С.

Из формулы (3) видно, что с повышением температуры физического тела его энтальпия, а следовательно, и работоспособность, увеличивается.