Основные понятия и определения теории теплообмена

Теплопередача или теплообмен — учение о самопроиз­вольных необратимых процессах распространения теплоты в простран­стве. Под процессом распространения теплоты понимается обмен внут­ренней энергией между отдельными элементами, областями рассматри­ваемой среды. Перенос теплоты осуществляется тремя основными спо­собами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.

Конвекция возможна только в текучей среде. Под конвекцией теплоты понимают процесс ее переноса при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос теплоты неразрыв­но связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение — процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температу­рой и оптическими свойствами излучающего тела; при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превра­щения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса из­лучения и его поглощения веществом называется теплообменом излу­чением. В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты — теплопроводность, конвекция и тепловое излучение — очень часто происходят совместно.

Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.

Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Со­вместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется, конвективным теплообменом.

В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплооб­мен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела; этот процесс конвективного теплообмена называют к о н в е к т и в н о й теплоотдачей или теплоотдачей.

Процессы теплопроводности и конвективного теплообмена могут сопровождаться теплообменом излучением. Теплообмен, обусловленный совместным переносом теплоты излучением и теплопроводностью, на­зывают радиационно-кондуктивным теплообменом. Если перенос тепло­ты осуществляется дополнительно и конвекцией, то такой процесс на­зывают радиаиионно-конвективным теплообменом. Иногда радиационно-кондуктивный и радиационно-конвективный перенос теплоты назы­вают сложным теплообменом.

В технике и в быту часто происходят процессы теплообмена между различными жидкостями, разделенными твердой стенкой. Процесс пере-

дачи теплоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называется теплопередачей. Теплопередача осуществляется различными элементарными процессами теплопереноса. Парогенери-рующие трубы котельного агрегата, например, получают теплоту от продуктов сгорания топлива в результате радиационно-конвективного теплообмена. Через слой наружного загрязнения, металлическую стен­ку и слой накипи теплота передается теплопроводностью. От внутрен­ней поверхности трубы к омывающей ее жидкости теплота переносится конвективным теплообменом (теплоотдачей).

Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без измене­ния агрегатного состояния рабочих сред и т. д. В зависимости от этого теплообмен протекает по-особому и описывается различными уравнениями.

Многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом ве­щества. Например, при испарении воды в воздух, помимо теплообмена, имеет место и перенос образовавшегося пара в паровоздушной смеси. В общем случае перенос пара осуществляется как молекулярным, так и конвективным путем. Совместный молекулярный и конвективный пере­нос массы называют конвективным массообменом. При на­личии массообмена процесс теплообмена усложняется. Теплота допол­нительно может переноситься вместе с массой диффундирующих веществ.

В общем случае перенос теплоты в смеси различных веществ может вызываться неоднородным распределением других физических величин,, помимо температуры. Например, разность концентрации компонентов смеси приводит к дополнительному молекулярному переносу теплоты (диффузионный термоэффект). Обычно перенос теплоты, обусловленный подобными эффектами, сравнительно невелик и, как правило, им можно пренебречь.

При теоретическом исследовании теплообмена приходится вводить некоторые модельные представления о среде, в которой происходят изучаемые процессы. Рассматриваемые газы, жидкости и твердые тела в книге в подавляющем большинстве случаев считаются сплошной сре­дой, т. е. средой, при рассмотрении которой допустимо пренебречь ее дискретным строением.

Различают однородные и неоднородные сплошные среды. В первых физические свойства в различных точках одинаковы, при одинаковых температуре и давлении, в неоднородных средах — различны. Разли­чают также изотропные и анизотропные сплошные среды. В любой точ­ке изотропной среды физические свойства ее не зависят от выбранного направления, наоборот, в анизотропной среде некоторые свойства в дан­ной точке могут быть функцией направления. Наиболее изучен и часто встречается на практике теплообмен в изотропных средах.

Сплошная среда может быть однофазной и многофазной. В одно­фазной среде, состоящей из чистого вещества или из смеси веществ, свойства изменяются в пространстве непрерывно. В многофазной среде, состоящей из ряда однофазных частей, на границах раздела свойства изменяются скачками. Теплообмен в однофазных и многофазных систе­мах протекает по-разному.

Изучение как простых, так и более сложных процессов переноса теплоты в различных средах и является задачей курса теплопередачи.

Дата добавления: 2014-11-08