Теплообмен

Теплообмен

Второе начало термодинамики гласит, что теплота всегда передается от более горячего тела более холодному, однако о механизме теплопередачи там не говорится ни слова.

Однако характер переноса теплоты крайне важен с инженерно-физической точки зрения, и не удивительно, что механизмы теплообмена стали важным предметом исследований в первой половине девятнадцатого столетия.

Как уже упомянуто в аннотации, было открыто три способа теплообмена, и за каждым из них стоит уникальный физический процесс.

Теплопроводность

Положите загнутой конец железной кочерги в горящий камин — и уже через пару минут вы не сможете притронуться к ее свободному концу, хотя он находится на значительном удалении от пламени. А происходит это в результате того, что любой металл обладает высокой теплопроводностью, и жар огня от разогретого конца кочерги очень быстро распространяется по всей ее длине.

А обусловлена высокая теплопроводность металла следующим: атомы металла организованы в трехмерную кристаллическую решетку и постоянно вибрируют около своего среднестатистического положения.

Атомы погруженного в огонь конца кочерги под воздействием соударения с быстро движущимися молекулами углей и раскаленного газового пламени быстро разогреваются и начинают вибрировать значительно интенсивнее.

Одновременно сами термически возбужденные атомы, соударяясь с соседними атомами, передают последним энергию теплового движения, и те, в свою очередь, также очень быстро разогреваются до температуры, близкой к температуре горения. При этом, отдав свою тепловую энергию соседям, атомы погруженного в пламя конца кочерги практически тут же компенсируют ее за счет непрерывного поступления тепловой энергии, выделяющейся при горении.

Таким образом, посредством цепочки межатомных взаимодействий теплота быстро распространяется вверх по ручке кочерги, постоянно пополняясь за счет энергии сгорания дров, пока не достигнет рукояти, которую вы держите в ладони, и тогда вы, почувствовав, как она нагрелась, вынуждены будете выпустить кочергу во избежание ожога.

Таким образом, теплопроводность представляет собой механизм теплового обмена посредством соударения между отдельными атомами или молекулами теплопроводящего вещества. То есть, тепловое движение распространяется по веществу, однако сами атомы или молекулы остаются жестко закрепленными внутри его структуры, и переноса вещества, как такового, мы не наблюдаем.

Уравнение, описывающее механизм теплопроводности, выглядит следующим образом:

    Q = A × ΔT/R

где Q — количество передаваемой тепловой энергии, А — площадь сечения теплопроводящего тела, ΔT — разность температур между двумя точками, а R — тепловое сопротивление материала, характеризующее, насколько он тормозит теплопередачу.

В вышеприведенном примере с кочергой, одним концом опущенной в камин, ΔT равняется разнице между температурой пламени на одном конце и комнатной температурой воздуха на другом, А — площади сечения железного прута, из которого сделана кочерга, а R определяется свойствами металла.

В целом же, приведенная формула подсказывает, что чем больше разность температур и чем больше площадь поперечного сечения, тем большее количество теплоты будет передаваться.

В то же время, при фиксированных значениях разности температур и площади поперечного сечения количество передаваемой теплоты будет обратно пропорционально тепловому сопротивлению, то есть, чем оно выше, тем медленнее будет нагреваться рукоять. Поэтому материалы с высокими значениями R (например, асбест, стекловолокно или пух) являются хорошими теплоизоляторами.

Конвекция

Теперь представьте себе кастрюлю с водой на плите. Сначала вода ведет себя неподвижно, и теплота от нижних слоев к верхним передается посредством теплопроводности. По мере нагревания, однако, характер теплопередачи меняется, поскольку запускается процесс, который принято называть конвекцией.

Нагреваясь вблизи дна, вода расширяется. Соответственно, удельный вес придонной разогретой воды оказывается легче, чем вес равного объема воды в поверхностных слоях. Это приводит всю водную систему внутри кастрюли в нестабильное состояние, которое компенсируется за счет того, что горячая вода начинает всплывать к поверхности, а на ее место опускается более прохладная вода.

Однако процесс этот одним актом не ограничивается, поскольку, обменявшись местами, горячая и прохладная вода очень скоро обмениваются и ролями, в силу того, что опустившая ко дну вода быстро разогревается и расширяется, а всплывшая горячая — быстро остывает и уплотняется за счет излучения (см. ниже). В результате ситуация нестабильности повторяется и слои воды снова меняются местами.

Нетрудно увидеть, что такая ситуация, по сути, приводит к постоянной нестабильности воды в кастрюле, и начинается непрерывная циркуляция водной массы: разогретая вода со дна всплывает, вытесняя ко дну остывающую воду с поверхности.

В результате мы наблюдаем циркулярные потоки, которые принято называть конвекционными токами (см. рисунок).

Конвекционные токи — весьма распространенный в природе способ теплообмена. Конвекция происходит в недрах Солнца, в слое между ядром и короной, именно она доставляет к поверхности светила тепловую энергию, вырабатываемую в ходе реакции термоядерного синтеза (см. Эволюция звезд).

Непрерывная конвекция происходит в земной мантии, в результате чего мы наблюдаем движение тектонических плит. Конвекционные атмосферные потоки определяющим образом сказываются на климате нашей планеты, перенося тепло из экваториальных широт в приполярные вместе с воздушными и океаническими массами.

Даже на уровне отдельно взятого крупного города конвекция приводит к значительным перемещениям атмосферных слоев: перегретый асфальт в центре города в этом случае играет роль конфорки под днищем кастрюли, если вернуться к исходному примеру.

Фактически, благодаря конвекции в городах устанавливается особый микроклимат.

Обобщая, подчеркнем, что конвекция, по сути, представляет собой теплообмен посредством переноса вещества. Накопив теплоту в одном месте, вещество-носитель переносит его в более холодное и там отдает окружающей среде. В этом коренное отличие конвекции от теплопроводности, когда вещество-проводник тепла само остается на месте.

Излучение

В отличие от двух предыдущих видов теплообмена при лучевом переносе тепла вещество — будь оно в твердом, жидком или газообразном состоянии — не задействовано вовсе.

В этом случае теплообмен осуществляется в силу того, что любая материя, имеющая температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию в окружающую среду (см. Закон Стефана—Больцмана). Тип излучения зависит от температуры тела.

Это нетрудно понять на повседневном опыте: металл в кузнице сначала раскаляется докрасна, потом до желто-оранжевого цвета и, наконец, практически добела. Это свидетельствует о повышении температуры вещества, потому что, чем выше температура, тем короче длина излучаемых волн.

Возможно, самым знаменитым примером открытия невидимого излучения стало открытие реликтового микроволнового фона космического излучения, ставшее одним из основных подтверждений правильности гипотезы Большого взрыва. По сути, этот фон излучается всей Вселенной в ее совокупности, поскольку она расширяется и постепенно остывает, теряя свою изначально колоссальную среднюю температуру.

См. также:

Виды теплообмена: коэффициент теплопередачи

Любое материальное тело обладает такой характеристикой как теплота, которая может увеличиваться и уменьшаться. Теплота не является материальной субстанцией: как часть внутренней энергии вещества она возникает вследствие движения и взаимодействия молекул.

Поскольку теплота различных веществ может отличаться, происходит процесс передачи тепла от более нагретой субстанции к веществу с меньшим количеством теплоты. Этот процесс носит название теплопередача.

Основные виды теплообмена и механизмы их действия мы рассмотрим в этой статье.

Определение теплопередачи

Теплообмен, или процесс переноса температуры, может происходить как внутри материи, так и от одного вещества к другому. При этом интенсивность теплообмена во многом зависит от физических свойств материи, температуры веществ (если в теплообмене участвуют несколько субстанций) и законов физики.

Теплопередача – это процесс, который всегда протекает в одностороннем порядке. Главный принцип теплообмена заключается в том, что наиболее нагретое тело всегда отдаёт тепло объекту с меньшей температурой. Например, при глажке одежды горячий утюг отдаёт тепло брюкам, а не наоборот.

Теплопередача — явление, зависимое от временного показателя, характеризующее необратимое распространение тепла в пространстве.

Механизмы теплопередачи

Механизмы теплового взаимодействия веществ могут приобретать разные формы. Известны три вида теплообмена в природе:

1. Теплопроводность – механизм межмолекулярной передачи тепла из одного участка тела в другой или в иной объект. Свойство основывается на неоднородности температуры в рассматриваемых субстанциях.
2. Конвекция – теплообмен между текучими средами (жидкая, воздушная).
3. Лучевое воздействие – передача тепла от нагретых и нагреваемых за счёт своей энергии тел (источников) в виде электромагнитных волн с постоянным спектром.

Рассмотрим перечисленные виды теплообмена более подробно.

Чаще всего теплопроводность наблюдается в твёрдых телах. Если под воздействием каких-либо факторов у одного и того же вещества появляются участки с разными температурами, то тепловая энергия из более нагретого участка перейдёт к холодному. Подобное явление в некоторых случаях можно наблюдать даже визуально.

Например, если взять металлический стержень, скажем, иголку, и нагреть его на огне, то через какое-то время увидим, как тепловая энергия передаётся по иголке, образуя на определённом участке свечение. При этом в месте, где температура выше, свечение ярче и, наоборот, где t ниже, оно темнее.

Теплопроводность может наблюдаться также между двумя телами (кружкой горячего чая и рукой)

Интенсивность передачи теплового потока зависит от многих факторов, соотношение которых выявил французский математик Фурье.

К этим факторам относится в первую очередь градиент температуры (соотношение разности температур на концах стержня к расстоянию от одного конца к другому), площадь сечения тела, а также коэффициент теплопроводности (у всех веществ он разный, но самый высокий наблюдается у металлов).

Самый значительный коэффициент теплопроводности наблюдается у меди и алюминия. Неудивительно что именно эти два металла чаще используются в изготовлении электропроводов. Следуя закону Фурье, величину теплового потока можно увеличить или уменьшить, изменив один из этих параметров.

Конвекция, свойственная в основном для газов и жидкостей, имеет два компонента: межмолекулярную теплопроводность и движение (распространение) среды.

Следствием данного процесса будет уменьшение плотности субстанции и её движение вверх. Яркий пример конвекции – это движение нагретого радиатором воздуха от батареи к потолку.

Различают свободные и вынужденные конвективные виды теплообмена.

Теплопередача и движение массы при свободном типе происходит за счёт неоднородности субстанции, то есть горячая жидкость поднимается над холодной естественным образом без оказания влияния внешних сил (например, обогрев комнаты посредством центрального отопления). При вынужденной конвекции движение массы происходит под действием внешних сил, например, помешивание чая ложкой.

Лучистый теплообмен

Лучистая или радиационная теплопередача может происходить без контакта с другим объектом или субстанцией, поэтому возможна даже в безвоздушном пространстве (вакууме). Радиационный теплообмен присущ всем телам в большей или меньшей степени и проявляется в виде электромагнитных волн с непрерывным спектром. Яркий тому пример – солнечные лучи.

Механизм действия выглядит следующим образом: тело непрерывно излучает определённое количество теплоты в окружающее его пространство. Когда эта энергия попадает на другой объект или субстанцию, часть её поглощается, вторая часть проходит насквозь, а третья отражается в окружающую среду.

Любой объект может как излучать тепло, так и поглощать, при этом тёмные вещества способны поглощать больше тепла, чем светлые.

Комбинированные механизмы теплопередачи

В природе виды процессов теплообмена редко встречаются по отдельности. Гораздо чаще их можно наблюдать в совокупности.

В термодинамике эти сочетания даже имеют названия, скажем, теплопроводность + конвекция – это конвективный теплообмен, а теплопроводность + тепловое излучение называют радиационно-кондуктивной теплопередачей. Кроме этого, выделяют такие комбинированные виды теплообмена, как:

• Теплоотдача — движение тепловой энергии между газом или жидкостью и твёрдым веществом.
• Теплопередача – передача t от одной материи к другой через механическое препятствие.
• Конвективно-лучистый теплообмен образуется при совмещении конвекции и теплового излучения.

Виды теплообмена в природе (примеры)

Теплообмен в природе играет огромную роль и не ограничивается нагреванием земного шара солнечными лучами. Обширные конвекционные потоки, такие как передвижение воздушных масс, во многом определяют погоду на всей нашей планете.

Теплопроводность ядра Земли приводит к появлению гейзеров и извержению вулканических пород. Это лишь малая часть примеров теплообмена в глобальных масштабах. В совокупности они образуют виды конвективного теплообмена и радиационно-кондуктивные типы теплопередачи необходимые для поддержания жизни на нашей планете.

Использование теплообмена в антропологической деятельности

Тепло – это важная составляющая почти всех производственных процессов. Сложно сказать, какой вид теплообмена человеком используется больше всего в народном хозяйстве. Наверное, все три одновременно. Благодаря процессам теплопередачи происходит выплавка металлов, производство огромного количества товаров, начиная с предметов повседневного использования и заканчивая космическими судами.

Крайне важное значение для цивилизации имеют тепловые агрегаты, способные преобразовывать тепловую энергию в полезную силу. Среди них можно назвать бензиновые, дизельные, компрессорные, турбинные установки. Для своей работы они используют различные виды теплообмена.

Основные понятия теории теплообмена

Так как наш завод занимается производством теплообменных аппаратов мы обязательно должны посвятить несколько статей именно основным понятиям теории теплообмена и обязательно рассмотрим на примерах привязав их к нашему производству теплообменников.

И так, теория теплообмена призвана изучать процессы взаимодействия в твердых, водянистых и газообразных телах. При этом теплота может переходить путем проведения тепла, конвекции и с помощью излучения.

Основы теории теплообмена

Теплопроводность является молекулярным процессом и совершается при прямом контакте тел с температурами. В процессе нагревания возрастает кинетическая энергия молекул, в результате чего частицы части с более высокой температурой отдают при столкновении с соседними молекулами часть своей энергии.

Конвекцией называют перемещения или перемешивание неравномерно нагретых тел: жидких или газообразных. Перенос теплоты прямо пропорционален скорости движения этих частиц. Данный вид теплопередачи всегда сопровождается теплопроводностью. Перенос тепла при помощи конвекции и теплопроводности одновременно принято называть конвективным теплообменом.

Радиацией называют процесс трансляции тепла внутренней энергии тела путем электромагнитного излучения. Процесс происходит в 3 этапа: превращение части энергии тела в энергию электромагнитных волн, их распространение в пространстве, поглощение других телом энергии излучения.

Совокупность всех трех разновидностей теплового обмена получила название сложный теплообмен.

Основные понятия и определения теплообмена

Тепловой поток (F, Вт) – количество транслируемой в единицу времени теплоты сквозь произвольную поверхность. У нас допустим если взять воздухоохладитель во то у каждого аппарата есть свой тепловой поток в таблице 3 столбик или он еще называется мощность охладителя. Он значит сколько тепла может отводить данный воздухоохладитель в единицу времени.

Поверхностью теплообмена называют поверхность, сквозь которую передаётся тепло. Для примера возьмем оребренную трубу.

Так вот здесь поверхностью теплообмена называется площадь оребрения, т.е. площадь поверхности металла находящегося снаружи. В данном случае оребрение выполненное из алюминиевой круглой трубы. А если труб несколько, то все поверхности складываются.

от этого зависит эффективность его работы. Зависит от используемых материалов. Например труба латунная л63 более теплопроводна, чем труба нержавеющая тонкостенная хотя последняя более стойкая. Здесь уже надо учитывать все факторы в том числе среды.

Об этом есть хорошая статья — подбор материалов для теплообменников или как подобрать материал для оребренных труб.

Температурное поле – совокупность в любой точке тела или систем тел в определенный момент времени мгновенных значений температур.

Изотермическая поверхность – поверхность, у которой температура одинакова во всех точках.

Градиент температуры характеризует скорость модификации температуры к изотермической поверхности по нормали.

Стационарный теплообмен

Температурное поле носит название стационарного тогда, когда раздел температур в теле с течением времени остаётся стабильным. Теплообмен, характеризующийся передачей стационарного температурного поля, носит название стационарный.

Нестационарный теплообмен

Температурное поле носит название нестационарного в том случае, если со временем температура в телах модифицируется. Теплообмен, характеризующийся передачей нестационарного температурного поля, носит название нестационарный.

Применение на практике

В нашей отрасли изготовления теплообменников теплообмен играет решающую роль, т.к. аппараты теплообмена охлаждают или нагревают ответственные устройства. Например газоохладитель го охлаждает турбогенератор на ТЭЦ или ГРЭС. И от того насколько он охладитель хорошо справляется со своей задачей зависит и работа всего генератора и станции.

Поэтому важно, чтоб охладитель работал эффективно, т.е. нужно как можно лучше организовать теплообмен, а для этого применяются качественные материалы и правильная конструкция.

На этом вводную статью я заканчиваю, а вы можете почитать следующий материал этой рубрики и ознакомиться с аппаратами нашего производства.

Наши аппараты

• дц-180/2280-2 у1
• во-283/2440-н-ухл4
• трубный пучок

Материал этой рубрики

1. теплообмен и теплопередача

Кроме теплообменников у нас вы можете купить мотор редуктор 7мч в разной комплектации.

Весеннего вам настроения и заказывайте теплообменники на Уральском заводе МеталлЭкспортПром!