Способи поширення тепла та види теплообміну
Робота всіх теплообмінних апаратів основана на
теплопередачі, де в залежності від їх призначення необхідно інтенсифікувати або
зменшити кількість теплоти, що передається.
Теплопередачею
називається розділ, що вивчає закономірності процесів теплообміну між тілами і
поширення теплоти в самих тілах. Це необхідно для керування тепловими потоками.
Необхідною і достатньою умовою теплообміну є різниця температур. Перенос
теплоти може здійснюватися трьома способами: теплопровідністю, конвекцією і
випромінюванням або радіацією. Ці форми теплообміну різні за своєю фізичною
природою і описуються різними законами.
Теплопровідність
– процес поширення енергії в твердому тілі при безпосередньому дотику частин
тіл, що мають різну температуру. В металах велику участь у теплопровідності
беруть вільні електрони. У рідинах та газах існує молекулярний процес передачі
тепла. Таким чином, теплопровідність – це молекулярний перенос теплоти в
суцільному середовищі, зумовлений наявністю градієнта температури. При
теплопровідності перенос теплоти здійснюється за рахунок співударів та дифузії
частинок тіла, а також квантів пружних коливань їх кристалічної гратки фононів
– при макроскопічній нерухомості всієї маси речовини, тобто вона має атомно-молекулярний
характер не пов’язаний з макроскопічним переміщенням в тілі. В чистому вигляді
теплопровідність можна спостерігати лише в твердих тілах і в тонких нерухомих
шарах рідини та газу. В металах і напівпровідниках теплообмін здійснюється за рахунок
співудару і дифузії вільних електронів, а також пружних коливань кристалічної
гратки, тобто в теплопровідність вносять вклад дві складові: електронна і
фонова. В металах остання складова низька, в напівпровідниках вона більша, а в
діелектриках – є основною. В твердих теплоізоляційних матеріалах, які є
діелектриками, механізм теплопровідності зумовлений переносом теплоти фононами
– квантами пружних коливань кристалічної гратки.
При нагріванні тіла кінетична енергія його
структурних частинок (вільних електронів, молекул) зростає. Частинки більш
нагрітого об’єму тіла співдотикаються при хаотичному русі з сусідніми
частинками тіла, віддаючи йому частину своєї кінетичної енергії. Такий процес
поширюється по всьому тілу, в результаті чого температура більш нагрітого кінця
тіла буде зменшуватися, а в інших ділянках зростатиме до певної величини. Для
прикладу, якщо нагріти один кінець металевого стержня, то через певний час
температура іншого його кінця також підвищиться. Нагрітий кінець має частинки з
високою кінетичною енергією, які співударяються з іншими і передають частину
йому своєї енергії.
Теплоносії –
це рідкі або газоподібні речовини, які застосовуються для передачі теплоти від
тіл з більшою температурою до тіл з меншою температурою. Вони завжди циркулюють
у замкнутих системах і використовуються з метою нагрівання і охолодження в
теплових і атомних енергетичних установках, системах теплозабезпечення,
обладнанні технологічного призначення тощо. Як теплоносії найчастіше
використовують гази, водяну пару, воду, а дещо менше – органічні і
кремнієвоорганічні сполуки, розплавлені метали, солі, мінеральні масла.
При нагріванні тіла температура його в різних точках
буде змінюватися з часом і теплота буде поширюватися від зон з вищою
температурою до місць з нижчою температурою. У загальному випадку процес
передачі теплоти теплопровідністю в твердому тілі супроводжується зміною
температури як в просторі, так і в часі:
t=f(x,y,z, ), (5.41)
де х,
у, z – координати точки, τ –
час.
Якщо температура у будь-якій точці тіла змінюється з
часом, то температурне поле називається нестаціонарним,
а коли температура з часом не змінюється, то поле в даному випадку називають стаціонарним. Поверхня, у всіх точках
якої температура однакова, називається ізотермічною.
Вектор, спрямований по нормалі до ізотермічної поверхні в сторону збільшення
температури і чисельно дорівнює похідній від температури по цьому напрямку,
називають градієнтом температури. За
позитивний напрямок градієнта приймається напрямок зростання температури:
∂t gradt=∂n (5.42)
Частинна похідна використана тут тому, що в загальному
випадку температура може змінюватися не лише у просторі, а і у часі (при
нестаціонарному режимі).
Тепловий потік –
це кількість теплоти, яка передається через довільну поверхню за одиницю часу:
Q
Ф , Bт,
де Q
– кількість теплоти в Дж;
– час в с.
Тепловий потік утворюється в результаті різниці температури
поверхонь, які співдотикаються.
Питомий тепловий потік або густина теплового потоку – це кількість теплоти, яка передається
за одиницю часу через одиницю площадки, яка перпендикулярна напрямку потоку в
даній точці або тепловий потік, віднесений до одиниці поверхні тіла:
Q ф Bт
q S = S , м2 (5.43)
Комментариев нет:
Отправить комментарий