Тепломассообмен.

Тепломассообмен



1. Основные виды переноса тепловой энергии.

1.1. Теплообмен

Обмен тепловой энергией между взаимодействующими физическими объектами, протекающий под действием разности температур, называется теплообменом.
При этом, в соответствии со 2-м законом термодинамики самопроизвольный перенос тепловой энергии в пространстве протекает от тел с более высокой температурой к телам с менее высокой температурой.
Мерой теплообмена служит количество перенесенной тепловой энергии в единицу времени, называемое тепловым потоком [Дж/с = Вт].
Процессы теплообмена имеют важное значение в технике и технологии промышленного производства и в быту. К ним относятся:
* процессы преобразования энергии, термодинамические циклы;
* технологические промышленные процессы;
* коммунально-бытовое теплоснабжение.
Процесс теплообмена системы тел в общем характеризуется наличием:
* источника тепловой энергии;
* приемника тепловой энергии;
* теплоносителя, посредника в переносе тепла;
* поверхности теплообмена;
* температурное поле, совокупность температур во всех точках системы тел.
Различают стационарные и нестационарные процессы теплообмена.
Стационарные процессы теплообмена характеризуются постоянством во времени температур во всех точках температурного поля и равенством притока и оттока тепла в системе тел, и наиболее важны для практических целей.
Нестационарный теплообмен характеризуется изменением температур во времени, неравновесием потоков тепла и др.
В общем случае, процесс теплообмена носит сложный характер и зависит от множества факторов. Поэтому для облегчения изучения сложного процесса, его разбивают на более простые, основные процессы переноса тепла: теплопроводность, конвекция и конвективный теплообмен, тепловое излучение.

1.2. Теплопроводность.

Теплопроводность это процесс переноса тепловой энергии, протекающий на молекулярном уровне, путем непосредственного контакта микрочастиц (атомы, молекулы), неподвижных в этот момент друг относительно друга.
При этом, частица, обладающая большей энергией (температурой), отдает часть избыточной энергии контактирующей частице, а та, в свою очередь передает его дальше и т.д.
Интенсивность переноса тепловой энергии теплопроводностью зависит от физических свойств тела (плотность, наличие свободных электронов и др.), от
его размеров и формы, от разности температур на поверхностях теплообмена и др.
Наибольшую теплопроводность имеют твердые металлы, за счет высокой плотности кристаллической решетки и движения свободных электронов - "электронный газ". В неметаллических твердых телах теплопроводность осуществляется, в основном, упругими акустическими волнами, образующимися вследствие согласованного смещения всех молекул и атомов кристаллических решеток из их равновесных положений, что облегчает обмен энергией их между собой.
Теплопроводность в жидкостях и газах протекает за счет молекулярного движения их структур и столкновения молекул. Однако, в объеме жидкости и газа теплопроводность играет незначительную роль, главный вид переноса здесь конвекция. Наоборот, в тонких неподвижных слоях молекул жидкости и газа, удерживаемых на поверхности твердых тел, теплопроводность является основным видом переноса тепла.
В целом теплопроводность является процессом переноса тепла с очень малой интенсивностью и уступает остальным видам переноса.

1.3. Конвекция и конвективный теплообмен.

Конвекцией называется перенос тепловой энергии в пространстве движущимися объемами микрочастиц жидкости, газа или твердых тел.
Конвекция бывает свободной (естественной) или вынужденной.
Свободная конвекция протекает под действием естественных сил возникающих в силовых полях (поле силы тяжести, инерционные силы и др.).
Вынужденная конвекция протекает под действием разности давления среды, возникающей за счет искусственных нагнетателей (насосы, вентиляторы, компрессоры и др.).
Характер конвекции зависит от режима движения жидкости или газа, определяемого скоростью движения потока.
При ламинарном режиме течения частицы жидкости движутся не перемешиваясь друг с другом параллельными струями. Перенос тепла конвекцией идет по направлению движения потока, в поперечном направлении тепло переносится, в основном теплопроводностью.
При турбулентном режиме движения с увеличением скорости, частицы жидкости движутся неупорядоченно, хаотично и перемещаются не только вдоль движения потока, но и поперек него за счет пульсации скорости и давления, завихрений, турбулентных токов и т.д. При этом конвективный перенос тепловой энергии протекает по всем направлениям.
Конвекция является процессом переноса тепла большой интенсивности, величина которой увеличивается с увеличением скорости движения жидкости, а при вынужденной конвекции скорость движения и интенсивность ее ничем, практически не ограниченны. Интенсивность переноса тепла при конвекции возрастает с переходом режима движения от ламинарного к турбулентному.
Конвекция в природе не существует в чистом виде, т.к. во всех процессах теплообмена между объектами процесс переноса тепловой энергии конвекцией в теплоносителе (жидкость, газ, сыпучее тело) заканчивает процессом контактной передачи тепла на твердой поверхности объекта, т.е. теплопроводностью.
Такой комбинированный процесс переноса тепловой энергии, включающий конвективный перенос тепла в жидкости и теплопроводность на границе между жидкостью и твердой стенкой называется конвективным теплообменом или теплоотдачей. Это основной вид переноса тепла от жидкости к твердой стенке и обратно.
Интенсивность конвективного теплообмена зависит от условий гидродинамического и теплового взаимодействия жидкости и твердой стенки.
Наличие относительно неподвижного слоя частиц жидкости прилегающих к поверхности твердой стенки, вследствие действия поверхностных сил, приводит к образованию гидродинамического пограничного слоя, в котором скорость перемещения частиц мала, а у стенки равна 0.
В таком слое перенос тепловой энергии протекает только за счет теплопроводности, вследствие чего общая интенсивность конвективного теплообмена ограничивается теплопроводностью в пограничном слое и зависит от толщины пограничного слоя и разности.
Т.к. с ростом скорости движения потока, толщина пограничного слоя уменьшается то это приводит к увеличению интенсивности конвективного теплообмена.

1.4. Тепловое излучение.

Тепловым излучением называется процесс переноса тепла в пространстве в форме энергии электромагнитных колебаний без непосредственного соприкосновения тел. Лучистая энергия, испускаемая одним телом, проходит сквозь прозрачную среду, поглощается другим телом, превращаясь в тепло. При переносе тепла за счет теплового излучения происходит двойное преобразование энергии.
На первом этапе, тепловая энергия на поверхности первого тела в