ГР 34 ТМ - Ф Основи гідравліки і теплотехніки ТЕМА Способи поширення тепла та види теплообміну

  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: