Orice corp material are o caracteristică precum căldura, care poate crește și scădea. Căldura nu este o substanță materială: ca parte a energiei interne a unei substanțe, ea apare ca urmare a mișcării și interacțiunii moleculelor. Deoarece căldura diferitelor substanțe poate diferi, există un proces de transfer de căldură de la o substanță mai fierbinte la o substanță cu mai puțină căldură. Acest proces se numește transfer de căldură. Vom lua în considerare principalele și mecanismele acțiunii lor în acest articol.

Definiţia heat transfer

Transferul de căldură sau procesul de transfer de temperatură poate avea loc atât în ​​interiorul materiei, cât și de la o substanță la alta. În același timp, intensitatea transferului de căldură depinde în mare măsură de proprietățile fizice ale materiei, de temperatura substanțelor (dacă mai multe substanțe participă la transferul de căldură) și de legile fizicii. Transferul de căldură este un proces care are loc întotdeauna unilateral. Principiul principal al transferului de căldură este că cel mai fierbinte corp degajă întotdeauna căldură unui obiect cu o temperatură mai scăzută. De exemplu, la călcat haine, un fier de călcat fierbinte degajă căldură pantalonilor și nu invers. Transferul de căldură este un fenomen dependent de timp care caracterizează distribuția ireversibilă a căldurii în spațiu.

Mecanisme de transfer de căldură

Mecanismele de interacțiune termică a substanțelor pot lua diferite forme. Există trei tipuri de transfer de căldură în natură:

1. Conductivitatea termică este un mecanism de transfer intermolecular de căldură de la o parte a corpului la alta sau la un alt obiect. Proprietatea se bazează pe neomogenitatea temperaturii în substanțele luate în considerare.
2. Convecție - schimb de căldură între mediile fluide (lichid, aer).
3. Expunerea la radiații este transferul de căldură din corpuri (surse) încălzite și încălzite datorită energiei lor sub formă de unde electromagnetice cu spectru constant.

Să luăm în considerare tipurile enumerate de transfer de căldură mai detaliat.

Conductivitate termică

Cel mai adesea, conductivitatea termică este observată în solide. Dacă, sub influența oricăror factori, în aceeași substanță apar zone cu temperaturi diferite, atunci energia termică dintr-o zonă mai fierbinte va trece la una rece. În unele cazuri, acest fenomen poate fi observat chiar și vizual. De exemplu, dacă luăm o tijă de metal, să zicem un ac, și o încălzim pe foc, atunci după ceva timp vom vedea cum energia termică este transferată prin ac, formând o strălucire într-o anumită zonă. În același timp, într-un loc în care temperatura este mai mare, strălucirea este mai strălucitoare și, dimpotrivă, unde t este mai mică, este mai întunecată. Conductivitatea termică poate fi observată și între două corpuri (o cană de ceai fierbinte și o mână)

Intensitatea transferului de căldură depinde de mulți factori, al căror raport a fost dezvăluit de matematicianul francez Fourier. Acești factori includ în primul rând gradientul de temperatură (raportul dintre diferența de temperatură de la capetele tijei și distanța de la un capăt la celălalt), aria secțiunii transversale a corpului și coeficientul de conductivitate termică ( pentru toate substanțele este diferit, dar cel mai mare se observă la metale). Cel mai semnificativ coeficient de conductivitate termică se observă la cupru și aluminiu. Nu este surprinzător faptul că aceste două metale sunt mai des folosite la fabricarea firelor electrice. Urmând legea Fourier, fluxul de căldură poate fi crescut sau micșorat prin modificarea unuia dintre acești parametri.

Tipuri de convecție de transfer de căldură

Convecția, care este caracteristică în principal gazelor și lichidelor, are două componente: conducerea intermoleculară a căldurii și mișcarea (propagarea) mediului. Mecanismul de acțiune al convecției are loc după cum urmează: odată cu creșterea temperaturii unei substanțe fluide, moleculele acesteia încep să se miște mai activ, iar în absența restricțiilor spațiale, volumul substanței crește. Consecința acestui proces va fi o scădere a densității substanței și mișcarea ei în sus. Un exemplu izbitor de convecție este mișcarea aerului încălzit de un radiator de la o baterie la tavan.

Există tipuri de transfer de căldură convectiv liber și forțat. Transferul de căldură și mișcarea de masă în tipul liber are loc datorită eterogenității substanței, adică lichidul fierbinte se ridică deasupra celui rece într-un mod natural, fără influența forțelor externe (de exemplu, încălzirea unei camere prin încălzire centrală) . Cu convecția forțată, mișcarea masei are loc sub acțiunea forțelor externe, de exemplu, amestecarea ceaiului cu o lingură.

Transfer radiant de căldură

Transferul de căldură radiant sau radiativ poate avea loc fără contact cu un alt obiect sau substanță, prin urmare, chiar și în radiație, transferul de căldură este inerent tuturor corpurilor într-o măsură mai mare sau mai mică și se manifestă sub formă de unde electromagnetice cu spectru continuu. Un prim exemplu în acest sens este soarele. Mecanismul de acțiune este următorul: corpul radiază continuu o anumită cantitate de căldură în spațiul care îl înconjoară. Când această energie lovește un alt obiect sau substanță, o parte din ea este absorbită, a doua parte trece, iar a treia parte este reflectată în mediu. Orice obiect poate radia și absorbi căldură, în timp ce substanțele întunecate sunt capabile să absoarbă mai multă căldură decât cele luminoase.

Mecanisme combinate de transfer de căldură

În natură, tipurile de procese de transfer de căldură sunt rareori găsite separat. Mult mai des pot fi văzute împreună. În termodinamică, aceste combinații au chiar denumiri, de exemplu, conductivitate termică + convecție este transfer de căldură convectiv, iar conductivitate termică + radiație termică se numește transfer de căldură radiativ-conductiv. În plus, există astfel de tipuri combinate de transfer de căldură precum:

• Transferul de căldură este mișcarea energiei termice între un gaz sau lichid și un solid.
• Transferul de căldură este transferul t de la o materie la alta printr-un obstacol mecanic.
• Transferul de căldură convectiv-radiant se formează prin combinarea convecției și radiației termice.

Tipuri de transfer de căldură în natură (exemple)

Transferul de căldură în natură joacă un rol uriaș și nu se limitează la încălzirea globului de către razele soarelui. Curenții de convecție extinși, cum ar fi mișcarea maselor de aer, determină în mare măsură vremea pe întreaga planetă.

Conductivitatea termică a nucleului Pământului duce la apariția gheizerelor și la erupția rocilor vulcanice. Aceasta este doar o mică parte la scară globală. Împreună, ele formează tipurile de transfer de căldură convectiv și tipuri de transfer de căldură radiativ-conductiv necesare pentru a susține viața pe planeta noastră.

Utilizarea transferului de căldură în activități antropologice

Căldura este o componentă importantă a aproape tuturor proceselor industriale. Este greu de spus ce tip de schimb de căldură este folosit de om mai ales în economia națională. Probabil toate trei în același timp. Prin procese de transfer de căldură, metalele sunt topite, producând un număr imens de bunuri, de la articole de zi cu zi până la nave spațiale.

Unitățile termice capabile să transforme energia termică în putere utilă sunt extrem de importante pentru civilizație. Printre acestea se numără benzină, motorină, compresoare, turbine. Pentru munca lor, folosesc diferite tipuri de transfer de căldură.

Fundamentele teoriei transferului de căldură.

Transfer de căldură- o știință care studiază transferul de căldură între corpuri și distribuția temperaturii în corpuri.

Principalele forme de transfer de căldură:

1. Conductivitate termică.

2. Transfer de căldură convectiv.

3. Transfer radiant de căldură.

Conductivitatea termică este procesul de transfer de căldură prin contact direct cu corpuri sau părți individuale ale corpului care au temperaturi diferite. În acest caz, procesul de transfer de căldură are loc datorită transferului energiei de micromișcare a unor particule către altele.

În forma sa pură, conductivitatea termică este observată în solide, precum și în gaze și lichide staționare în cazul în care nu există convecție în ele.

Flux de caldura , .

Legea lui Fourier: fluxul de căldură este proporțional cu gradientul de temperatură și suprafață, adică .

Densitatea fluxului termic , .

Coeficientul de conductivitate termică - cantitatea de căldură care trece pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață printr-o unitate de grosime a peretelui la o scădere de temperatură de un grad.

Transfer de căldură convectiv- procesul de transfer de căldură, care se realizează în spațiu (în volum), datorită mișcării macroparticulelor.

În acest proces, există o acțiune comună de convecție (mișcare) și transfer de căldură datorită conducției căldurii.

Ecuația lui Newton: , unde este grosimea stratului limită în care are loc transferul de căldură datorită conducției căldurii; - coeficientul de transfer de căldură convectiv, .

Transfer radiant de căldură- transferul de căldură se realizează în spațiu datorită energiei undelor electromagnetice.

Legea lui Stefan-Boltzmann: , unde este intensitatea radiației unui corp absolut negru.

Ecuația Newton-Richmann: , unde este coeficientul de transfer de căldură radiantă.

Conductivitate termică.

câmp de temperatură- un set de valori ale temperaturii în puncte individuale ale corpului în funcție de timp și coordonatele spațiale.

Notarea matematică a unui câmp de temperatură tridimensional nestaționar: . Notarea matematică a unui câmp tridimensional staționar: . Acest câmp se numește staționar deoarece .

Suprafata izoterma este locul punctelor cu aceeași temperatură.

Izotermă este intersecția unei suprafețe izoterme cu un plan perpendicular.

O suprafață izotermă fie se închide în interiorul corpului, fie se rupe la limita sa.

gradient de temperatură este un vector îndreptat de-a lungul normalei la suprafața izotermă în direcția creșterii temperaturii și numeric egal cu limita raportului dintre modificarea temperaturii și distanța dintre izoterme de-a lungul normalei ( 0 S/m)

Legea Fourier:

Flux de caldura: , .

Densitatea fluxului termic: , , .

Sarcinile teoriei conducerii căldurii:

1. Găsiți un câmp de temperatură tridimensional nestaționar, .

2. Aflați fluxul de căldură și densitatea fluxului de căldură, , .

Întrebarea #32

Ecuația diferențială a conducției căldurii.

Conventii:

1. Proprietăţile termofizice ale sistemului: , , .

2. Microparticulele corpului sunt nemișcate.

3. Sursele interne de căldură sunt distribuite uniform în organism.

Unde este coeficientul de difuzivitate termică care caracterizează viteza de schimbare a temperaturii în orice punct al corpului;

este capacitatea termică a corpului; este densitatea corpului; este densitatea de eliberare a căldurii în vrac, wm/m 3; - temperatura; este operatorul Laplace.

(pentru coordonatele polare , , ), .

Condiții de unicitate– descrierea matematică a caracteristicilor particulare ale procesului luat în considerare.

Rezolvând ecuația , obținem o soluție generală, care, împreună cu condițiile de unicitate, ne va da soluții particulare.

Unicitatea condiționată:

1. Condiții geometrice:

A. Forma corpului:

i. Corp plat.

ii. Corp cilindric.

iii. corp sferic.

b. Corp limitat.

c. Corp nelimitat.

2. Condiții fizice:

A. Natura modificării parametrilor fizici:

i. Natura schimbării.

ii. Natura schimbării.

iii. Natura schimbării.

iv. Natura schimbării.

3. Condiții inițiale (temporare):

4. Condiții limită:

A. Condiții la limită de primul fel - legea schimbării temperaturii la limita corpului:

b. Condițiile limită ale celui de-al doilea corp - legea modificării fluxului de temperatură în peretele corpului:

c. Condiții limită de al treilea fel:

i. Legea modificării temperaturii ambiante.

ii. Legea conform căreia căldura corpului schimbă cu mediul.

d. Condiții limită de al patrulea fel, .

Întrebarea #33

1. Perete plat.

Dat: , , .

Găsi: , , .

Soluţie:

Decizie comună: .

Condiții de frontieră: .

Rezistenta termica a unui perete plat - .

Raportul se numește conductivitate termică a peretelui.

Întrebarea #34

Luați în considerare transferul de căldură prin conducție termică prin perete plat cu trei straturi(Fig. 2b) în următoarele condiţii: grosimea stratului de perete , , ;

coeficienții conductivității termice a materialelor, respectiv, , , ; contactul dintre pereți este ideal și temperatura la limita straturilor adiacente este aceeași. Transferul de căldură are loc în condiții staționare - densitatea fluxului de căldură pe toate straturile peretelui are aceeași valoare ( q=idem). In aceste conditii:

Să scoatem din această serie de egalități diferența de temperatură (scăderea temperaturii peste straturile peretelui)

Adăugând părțile din stânga și dreapta ale ecuațiilor diferenței de temperatură, obținem în stânga modificarea temperaturii în perete, în dreapta - produsul densității fluxului de căldură q si rezistenta termica totala

Astfel, pentru densitatea fluxului de căldură în timpul transferului de căldură prin conductivitate termică printr-un perete plat cu trei straturi, obținem următoarea expresie:

În general, pentru un perete format din n - straturi, această expresie va fi scrisă astfel:

Unde R este rezistența termică totală a peretelui multistrat.

Întrebarea #35

Cantitatea de căldură degajată de un lichid către un perete solid sau percepută de lichidul din perete este determinată de ecuația Newton-Richmann

iar densitatea fluxului de căldură este după cum urmează

unde α este coeficientul care caracterizează condițiile de schimb de căldură dintre lichid și suprafața solidului, numit coeficient de transfer termic, W/(m 2 °C); - diferenta de temperatura, 0 С.

În conformitate cu formula (61), în sensul său fizic, coeficientul de transfer de căldură este densitatea fluxului de căldură ( q) pe suprafața corpului, referitor la diferența de temperatură dintre suprafața corpului și mediu. Coeficientul de transfer de căldură este numeric egal cu densitatea fluxului de căldură la o diferență de temperatură egală cu unitatea.

Coeficientul de transfer termic depinde de mulți factori. În cel mai general caz, este o funcție de forma și dimensiunea corpului, modul de mișcare a fluidului, proprietățile fizice ale fluidului, poziția în spațiu și starea suprafeței de schimb de căldură și alte cantități. Procesul de transfer de căldură, în funcție de natura mișcării lichidului, decurge diferit.

Întrebarea #36

Transfer radiant de căldură.

Solidele radiază și absorb energie în întreaga gamă de lungimi de undă de către stratul de suprafață. Intensitatea radiației depinde doar de temperatură. Lichidele se comportă într-un mod similar. Gazele radiază și absorb energie într-un interval limitat de lungimi de undă în volumul lor. Intensitatea de emisie a gazelor depinde de temperatura, grosimea stratului si presiunea partiala a componentelor.

energie radianta este energia emisă de corp în întregul interval de lungimi de undă, .

Intensitatea radiației este cantitatea de energie radiată de la o unitate de suprafață, .

Energia radiantă poate fi găsită prin formula: .

Legea conservării energiei: .

Unde este coeficientul de reflexie, este coeficientul de absorbție, este coeficientul de transparență.

Dacă, adică, atunci corpul se numește absolut alb.

Dacă , adică , atunci corpul se numește absolut negru.

Densitatea radiației integrale, raportată la intervalul de lungimi de undă considerată, se numește intensitatea spectrală a radiației(W/m3):

Intensitate unghiulară: .

Intensitatea unghiulară spectrală: .

legea lui Planck stabilește dependența intensității radiației unui corp negru E 0λ de la lungimea de undă λ si temperatura T

Legea Stefan-Boltzmann: .

Gradul de întuneric: .

legea lui Kirchhoff este formulat astfel: raportul dintre densitatea radiației semisferice integrale și capacitatea de absorbție este același pentru toate corpurile care au aceeași temperatură și este egal cu densitatea radiației semisferice integrale a unui corp complet negru la aceeași temperatură: , unde este coeficientul de absorbție.

Cantitatea de căldură care va rămâne într-unul din cele două corpuri:.

Legea deplasării lui Wien spune - lungimea de undă, care corespunde valorii maxime a intensității radiației (E 0λ =max), este invers proporţională cu temperatura absolută Fig.11

Întrebarea #37

Transferul de căldură prin radiație între solide.

Pe baza legilor radiației, se obține ecuația de calcul pentru transferul de căldură radiantă între un corp 1 de formă arbitrară și suprafața altui corp 2, mai mare, care îl acoperă (Fig. 14)

Unde Î 1.2 este fluxul de căldură transmis prin radiație din corpul 1 către corpul 2, W;

ε 1,2 este emisivitatea redusă a corpurilor 1 și 2, determinată din expresie

F1Și F2 sunt suprafețele corpurilor 1 și 2, m2; T 1 și T 2- temperatura absolută a suprafețelor corpurilor 1 și 2, K.

Un astfel de caz se mai numește și transfer de căldură prin radiație între corp și învelișul său; corpul interior este întotdeauna corpul 1.

Un caz special al transferului de căldură considerat este transferul de căldură între doi pereți paraleli nelimitați (Fig. 15). Când F 1 = F 2 = F, se folosește ecuația de calcul pentru transferul de căldură prin radiație, iar gradul redus de emisivitate se determină din expresie

Ecuația (2.57) poate fi utilizată pentru a calcula schimbul de căldură radiantă între două corpuri de orice formă și locația lor arbitrară, numai în fiecare caz particular pentru a determina emisivitatea și suprafața reduse (pentru ε 1,2Și F 1.2) au propriile expresii de calcul.

Întrebarea #38

Transfer de căldură printr-un singur strat plat și multistrat

perete plat

Ecuația căldurii: .

Condiţii la limită de primul fel: .

Condiții la limită de al treilea fel: , .

În această serie de egalități, prima ecuație determină cantitatea de căldură transferată prin convecție (și radiație) de la lichidul de răcire fierbinte către perete; a doua ecuație este aceeași cantitate de căldură transferată de conductibilitatea termică prin perete; a treia ecuație este transferul aceleiași cantități de căldură transferată prin convecție (și radiație) de la perete la lichidul de răcire rece.

Să scoatem din această serie de egalități diferența de temperatură

Adăugând părțile din stânga și dreapta ale ecuațiilor care caracterizează diferența de temperatură și ținând cont că obținem expresia diferenței finale de temperatură

unde este rezistența termică a unui perete plat ( m 2 0 С\Bm)

De aici, urmează expresia pentru densitatea fluxului de căldură și fluxul de căldură (ecuația de transfer de căldură a unui perete plat)

Unde q este densitatea fluxului de căldură ( W/m2);

Q este fluxul de căldură ( W);

k=1/R- coeficientul de transfer de căldură al unui perete plat (W / m 2 ºС)

unde este rezistența termică a transferului de căldură a unui perete plat (m 2 ºС / W);

; - rezistențele termice ale transferului de căldură din partea lichidului de răcire cald, conductivitatea termică a peretelui plat și respectiv rezistențele termice ale transferului de căldură din partea lichidului de răcire rece.

Temperatura suprafeței interioare și exterioare a peretelui este determinată din următoarele considerente:

deci avem

În cazul unui perete multistrat

Întrebarea #39

Transfer de căldură- transferul de căldură de la un purtător la altul printr-o suprafață solidă care îi separă.

Proces staționar- un proces în care temperaturile mediilor nu se modifică, adică .

Proces non-staționar- un proces în care se modifică temperaturile mediilor, adică .

Pentru pereții curbi, coeficientul de transfer de căldură este de obicei determinat de aceeași ecuație ca și pentru un perete plat.În acest caz, pentru pereții curbi, suprafața de transfer de căldură calculată este determinată din expresia

Echivalentul de apă al suprafeței de transfer de căldură.

Pentru pereți cilindrici: .

Coeficientul liniar de transfer termic: .

Coeficient de transfer termic pentru peretele interior: .

Coeficient de transfer termic pentru peretele exterior: .

Întrebarea #40-41

Clasificarea schimbătoarelor de căldură.

1. După tipul de acțiune:

A. Dispozitive de tip suprafață - dispozitive în care transferul de căldură are loc în prezența unei suprafețe solide.

i. Dispozitivele regenerative sunt dispozitive de tip suprafață în care o suprafață solidă este spălată alternativ cu lichide de răcire calde și reci. Aceste dispozitive sunt folosite în cazurile în care transportatorii de căldură au temperaturi ridicate sau când purtătorii de căldură nu sunt curați.

ii. Dispozitivele de recuperare sunt dispozitive de tip suprafață în care o suprafață solidă este spălată continuu cu purtători de căldură fierbinți și caldi prin suprafețe de separare.

1. Schimbatoare de caldura cu manta si tub.

2. Dispozitive de tip „țeavă în conductă”:

A. Dispozitive cu un singur flux de tip „țeavă în conductă”.

b. Dispozitive cu flux multiplu de tip „țeavă în conductă”.

b. Dispozitive de tip amestecare - dispozitive în care există o amestecare directă a purtătorilor de căldură cald și rece.

Schema aparatului de tip „țeavă în conductă”:

Aparatele de acest tip au un design simplu și debite mari, totuși, pentru a obține capacități mari ale aparatului, este necesar să instalați un număr mare de elemente structurale, iar aparatul în sine va ocupa mult spațiu.

Schema aparatului de tip carcasă și tub:

În astfel de dispozitive, este posibil să se creeze fluxuri directe, contracurente, încrucișate, simetrice în formă de U și alte fluxuri.

Bilanțul termic al schimbătorului de căldură: , unde este coeficientul de eficiență al aparatului termic, .

1. (rezistența hidraulică este scăzută), apoi , , , la .

2. Condensator.

3. Evaporator.

Puterea aparatului termic (ecuația lui Grosgof): , unde este diferența medie de temperatură.

Pentru flux înainte: , .

Pentru contracurent: , .

Unde și sunt echivalenții de apă ai suprafeței de schimb de căldură.

Pentru orice schemă, aceasta poate fi determinată în conformitate cu două metode:

1. Tehnica clasică: , unde - coeficient în funcție de tipul și proprietățile aparatului cald, se determină din graficele funcțiilor și .

2. Metoda lui Belokon. Indicele de contracurent:

Pentru curgere înainte.

Pentru contracurent.

Pentru un circuit simetric în formă de U.

Pentru orice schemă, diferența medie de temperatură: .

Întrebarea #42

Există două tipuri de calcule pentru dispozitivele termice:

1. Calcul de primul fel (constructiv). Cunoscut: , , , , , , , . Sarcină: Selectarea sau proiectarea unui schimbător de căldură ( , ). , și - temperatura de condensare.

1. Mașini frigorifice cu compresie de vapori, în care fluidul de lucru este abur, iar procesul de lucru are loc în compresor.

2. Răcitoare de aer, în care fluidul de lucru este aerul.

3. Frigidere cu absorbtie, in care vaporii sunt absorbiti de solutii apoase.

4. Mașini frigorifice cu jet de abur cu injectoare ca dispozitiv de acționare.

Procesul de lucru al unității de refrigerare cu compresie de vapori:

1-2 - compresie adiabatică; 4-5 - procesul de accelerare.

Diagrama unei unități frigorifice cu compresie de vapori:

Astfel de instalații funcționează în următorul interval de temperatură: .

8. Mașini frigorifice cu jet de abur cu injectoare ca dispozitiv de acționare.

SCHIMB DE CALDURA

SCHIMB DE CALDURA(transferul de energie termică), procesul de transfer de căldură de la un obiect la altul. Transferul are loc în timpul în care două sau mai multe corpuri la temperaturi diferite sunt în contact termic. Există trei tipuri de transfer de căldură: CONVENȚIE DE CĂLDURĂ, CONVECȚIE și RADIARE. În cazul conducerii căldurii, transferul de căldură are loc de la o moleculă la alta în interiorul corpului, ca, de exemplu, cu o tijă de fier introdusă într-un foc. În convecție, căldura este transferată prin circulația unui lichid sau a unui gaz, ca în fierbere. Când este radiată, căldura este transferată sub formă de unde electromagnetice, precum lumina soarelui. Procesele de schimb de căldură sunt parte integrantă a multor procese de producție, când energia termică de la o sursă este transferată în alta fără combinarea lor. Cel mai simplu exemplu de transfer de căldură este utilizarea transferului de căldură, atunci când un sistem de conducte cu o suprafață exterioară dezvoltată și un lichid fierbinte care curge în interior este scufundat într-un recipient prin care curge un alt lichid rece și, ca urmare a transferului de căldură, căldura este transferat din lichid fierbinte în lichid rece.

Pot fi observate trei tipuri de transfer de căldură atunci când o tigaie este încălzită: (A) conducție prin pereții metalici ai tigaii (1), mișcarea convectivă a fluidului (2) și radiația de la sursa de căldură transferată în tigaie (3) . În teorie, un conductor de căldură bine izolat, al cărui capăt este plasat în gheață și celălalt în apă clocotită, își schimbă temperatura de-a lungul lungimii (B) liniar, ca o linie dreaptă pe un grafic. Caracteristica schimbării de temperatură a unui conductor slab izolat este indicată de o linie punctată curbă. Thermos(C) conține un vid (4) între pereți pentru a preveni conducția și convecția căldurii, iar pereții placați cu argint pentru a evita pierderea de căldură prin radiație.

Dicționar enciclopedic științific și tehnic.

Sinonime:

Vedeți ce este „SCHIMBUL DE CĂLDURĂ” în alte dicționare:

Transfer de căldură ... Dicţionar de ortografie

Proces spontan ireversibil de transfer de căldură datorită gradientului de temperatură. În cazul general, transferul de căldură poate fi cauzat și de neomogenitatea câmpurilor altor fizice. valori, de ex. gradient de concentrație (vezi EFECTUL DUFOUR). Distinge…… Enciclopedia fizică

TRANSFERUL DE CĂLDURĂ, împreună cu munca în termodinamică, este unul dintre tipurile de schimb de energie al unui sistem termodinamic (un corp fizic) cu corpurile înconjurătoare, care are loc prin procesele de conducere a căldurii, convecție sau radiație și nu este însoțit de ... .. . Enciclopedia modernă

Un proces spontan ireversibil de transfer de căldură de la corpuri mai încălzite (sau părți ale corpului) către cele mai puțin încălzite (în cazul general, transferul de căldură poate fi cauzat și de neomogenitatea câmpurilor altor cantități fizice, de exemplu, diferența de concentrații m...... Dicţionar enciclopedic mare

Transfer de căldură, transfer de căldură, transfer de căldură Dicționar de sinonime ruse. schimb de căldură n., număr de sinonime: 4 schimb (55) ... Dicţionar de sinonime

SCHIMB DE CALDURA- un proces spontan ireversibil de distribuție a energiei termice din corpuri sau părți mai încălzite ale corpului către cele mai puțin încălzite fără a lucra. Există următoarele tipuri de T.: (vezi), conductivitatea termică (vezi) și transferul de căldură prin radiație ... ... Marea Enciclopedie Politehnică

SCHIMB DE CĂLDURĂ, soț. (specialist.). Procesul de transfer ireversibil de căldură de la corpurile mai fierbinți la cele mai reci. Reglarea schimbului de căldură. | adj. schimbător de căldură, oh, oh. Dicționar explicativ al lui Ozhegov. SI. Ozhegov, N.Yu. Şvedova. 1949 1992... Dicționar explicativ al lui Ozhegov

schimb de caldura- Proces spontan de transfer de căldură ireversibil datorită unui gradient de temperatură [Dicționar terminologic pentru construcție în 12 limbi (VNIIIS Gosstroy al URSS)] Subiecte termodinamică RO schimb de căldurăintercambio térmico DE… … Manualul Traducătorului Tehnic

Schimb de caldura- - proces spontan de transfer de căldură de la părțile mai încălzite ale betonului către cele mai puțin încălzite. [Dicționar terminologic pentru beton și beton armat. Federal de stat întreprindere unitară "Centrul de cercetare" Construcții "NIIZHB ei. A. A. Gvozdeva, Moscova, 2007, 110 pagini] Titlu ... ... Enciclopedie de termeni, definiții și explicații ale materialelor de construcție

Schimb de caldura- transfer spontan ireversibil de căldură în spațiu cu un câmp de temperatură neuniform, caracterizat printr-un gradient de temperatură. Transferul de căldură are loc de la corpurile mai încălzite la cele mai puțin încălzite și se caracterizează printr-un vector ... ... Dicţionar enciclopedic de metalurgie

Cărți

• Transferul de căldură în medii monofazate și în timpul transformărilor de fază. Manual, V. V. Yagov, Conținutul manualului corespunde programului disciplinei „Transfer de căldură și masă”, care este citit studenților care studiază în domeniul termofizicii ca parte a direcției de formare „140700. ... Categoria: Termodinamică și fizică statistică Editura: MPEI,
• Transferul de căldură și testarea termică a materialelor și structurilor echipamentelor aerospațiale sub încălzire prin radiație , Victor Eliseev , Monografia este dedicată problemelor transferului de căldură și testării termice a materialelor și structurilor echipamentelor aerospațiale folosind surse de radiație de mare intensitate. Rezultatele sunt prezentate... Categorie: Literatură educațională Editor:

Metode de transfer de căldură - căldura este întotdeauna transferată de la corpurile care sunt mai fierbinți la mai puțin fierbinți. Metodele de transfer de căldură de la un corp solid (perete) la un lichid sau gaz care curge în jurul acestuia se numesc transfer de căldură. Metodele de transfer de căldură de la un mediu la altul, separate printr-un perete despărțitor, se numesc transfer de căldură. Există trei metode de transfer de căldură: conducție, convecție și radiație (radiație).

Conductivitatea termică este procesul de propagare a căldurii într-un corp (unul) prin transferul energiei cinetice de la molecule mai încălzite la cele mai puțin încălzite care sunt în contact unele cu altele. În forma sa pură, conductivitatea termică are loc în solide în straturi foarte subțiri, nemișcate de lichid și gaz.

Metodele de transfer de căldură se propagă prin pereții cazanului. Conductivitatea termică a diferitelor substanțe este diferită. Metalele sunt bune conductoare de căldură. Conductivitatea termică a aerului este foarte scăzută. Conduce slab corpurile poroase de căldură, azbest, pâslă și funingine.

Convecția este transferul de căldură datorită mișcării volumelor molare ale mediului. De obicei, metoda convectivă de transfer de căldură are loc împreună cu conductivitatea termică și se realizează ca urmare a mișcării libere sau forțate a volumelor molare de lichid sau gaze (convecție naturală sau forțată). Convecția naturală răspândește căldura de la sobe, aparate de încălzire, atunci când se încălzește apa în cazanele de abur, căptușelile cazanelor de răcire și alte dispozitive de încălzire. Libera circulație a lichidelor sau gazelor se datorează densităților diferite ale particulelor încălzite și reci ale mediului. De exemplu, aerul de lângă suprafața cuptorului se încălzește, devine mai ușor, se ridică și în locul său intră aer mai greu și mai rece. Ca urmare, în încăpere are loc circulația aerului, care transferă căldura.

Metodele de transfer de căldură includ convecția. Convecția forțată apare atunci când căldura este transferată de la peretele interior al cazanului către apa care se deplasează sub acțiunea pompei.

Radiația (radiația) este transferul de căldură de la un corp la altul prin intermediul undelor electromagnetice printr-un mediu transparent la radiația termică. Acest proces de transfer de căldură este însoțit de transformarea energiei termice în energie radiantă și, invers, a energiei radiante în energie termică. Radiația transferă căldura de la flacăra combustibilului care arde la suprafața secțiunilor din fontă sau a țevilor de oțel ale cazanului. Radiația este cea mai eficientă modalitate de a transfera căldură, mai ales dacă corpul radiant are o temperatură ridicată, iar razele de la acesta sunt direcționate perpendicular pe suprafața încălzită.

Conceptul de transfer de căldură. Cele trei tipuri de transfer de căldură discutate mai sus în forma lor pură sunt foarte rare. În cele mai multe cazuri, o specie este însoțită de alta. Un exemplu în acest sens este transferul de căldură de la produșii gazoși de ardere pe peretele unui cazan de apă caldă (Fig. 7). În stânga, suprafața sa este în contact cu produse gazoase fierbinți de combustie și are o temperatură t 1 în dreapta este spălată de apă și are o temperatură t 2 Temperatura în perete scade pe direcția axei x.

Orez. 7. Transferul de căldură din produșii gazoși de ardere pe peretele cazanului.

În acest caz, căldura de la gaz către perete este transferată simultan prin convecție, conducție de căldură și radiație (transfer radiant de căldură). Transferul simultan de căldură prin convecție, conducție și radiație se numește transfer complex de căldură.

Rezultatul acțiunii simultane a fenomenelor elementare individuale este atribuit unuia dintre ele, care este considerat principalul. Deci, radiația (radiația), numită și recul direct, joacă un rol dominant în transferul de căldură în camera de ardere de la gazele de ardere la suprafața exterioară de încălzire a cazanului, deși împreună cu aceasta, atât convecția, cât și conductibilitatea termică participă la transferul de căldură.

Metodele de transfer de căldură de la suprafața exterioară de încălzire către cea interioară printr-un strat de funingine, un perete metalic și un strat de sol sunt efectuate numai prin conducerea căldurii. În cele din urmă, de la suprafața interioară de încălzire a cazanului către apă, căldura este transferată numai prin convecție. În conductele de gaze ale cazanului, procesul de schimb de căldură între peretele secțiunii și gazele de spălare a acesteia este și rezultatul acțiunii combinate de convecție, conductivitate termică și radiație. Totuși, convecția este considerată principalul fenomen.

Caracteristica cantitativă a transferului de căldură de la un lichid de răcire la altul prin peretele care îl separă este coeficientul de transfer de căldură K. Pentru un perete plat, coeficientul K este cantitatea de căldură transferată pe unitatea de timp: de la un lichid la altul pe o perioadă de timp. suprafață de 1 m 2 cu o diferență de temperatură între ele de un grad. - este determinată de formula:

K \u003d (1 / α 1 + δ 3 / λ 3 + δ st / λ st + δ n / λ n + 1 / α 2) -1

unde α 1 este coeficientul de transfer de căldură de la gaze către peretele suprafeței de încălzire, W / (m 2 × grade); δ 3 - grosimea depozitelor de cenuşă sau funingine (aşa-numita poluare externă), m; δ st - grosimea peretelui secțiunilor sau țevilor, m; δ n - grosimea scării (așa-numita poluare internă), m; λ 3 , λ st, λ in - coeficienții corespunzători de conductivitate termică a cenușii sau funinginei, pereților și solzii, W / (m × grade); a 2 -. coeficient de transfer termic de la perete la apă / W / (m 2 × grade).

În conformitate cu exemplul de mai sus de transfer complex de căldură (vezi Fig. 7), coeficientul total de transfer de căldură și, respectiv, de la gaze la peretele cazanului, este egal cu:

α 1 \u003d α k + α l

unde α to și α l - coeficienți, transfer de căldură prin convecție și radiație.

Reciprocul coeficientului de transfer de căldură se numește rezistență termică la transferul de căldură. Pentru acest caz:

R \u003d 1 / K \u003d 1 / α 1 + δ 3 / λ 3 + δ st / λ st + δ n / λ n + 1 / α 2

Substanțe diferite au coeficienți de conductivitate termică diferiți.

Coeficientul de conductivitate termică K - cantitatea de căldură transferată printr-o unitate de suprafață a suprafeței de încălzire pe unitate de timp, cu o diferență de temperatură de 1 grad și o grosime a peretelui de 1 m. Când se utilizează unități în afara sistemului (kcal pe oră), dimensiunea coeficientului de conductivitate termică este kcal × m / (m 2 × h × grade), în sistemul SI - W / (m × grade).

Coeficienții de conductivitate termică a diferitelor materiale, întâlniți cel mai adesea în echipamentele de încălzire și cazane, sunt prezentați mai jos, W / (m × grade).

Cantitatea de căldură Q transferată prin perete este determinată de formula:

unde K - coeficientul de transfer termic, W / (mg × grade); ∆t este diferența medie de temperatură dintre mediul de încălzire și mediul încălzit sau diferența medie de temperatură logaritmică, grade; H este aria suprafeței de încălzire, m2.

Diferența medie de temperatură logaritmică ∆t este determinată de formula:

∆t = ∆t - ∆t m /2,31 g (∆t 0 /∆t m)

unde ∆t g și ∆t m sunt diferențele de temperatură cele mai mari și cele mai mici dintre mediul de încălzire și mediul încălzit.

Orez. 8. Natura modificării temperaturii fluidelor de lucru la

a - flux înainte; b - contracurent.

Caracterul schimbării temperaturii lichidelor de lucru este prezentat în fig. 8. Dacă fluidele de încălzire și cele încălzite curg în aceeași direcție în schimbătorul de căldură, atunci un astfel de model de curgere se numește flux înainte (vezi Fig. 8, a), iar în direcția opusă - contracurent (vezi Fig. 8, b). ).

Pentru o unitate de suprafață a suprafeței de transfer de căldură, fluxul specific, notat cu q, va fi egal cu:

Din formulele de mai sus se poate observa că cantitatea de căldură transferată este cu atât mai mare, cu cât aria suprafeței de încălzire H este mai mare și cu atât este mai mare diferența medie de temperatură sau diferența de temperatură și coeficientul de transfer de căldură K. Prezența depunerilor, cenușă sau funingine peretele cazanului reduce semnificativ coeficientul de transfer termic (vezi exemplul de mai jos).

Factorul determinant în transferul de căldură prin radiație este temperatura corpului radiant și gradul de întuneric al acestuia. Prin urmare, pentru a intensifica transferul de căldură prin radiație, este necesară creșterea temperaturii corpului radiant prin creșterea rugozității suprafeței.

Transferul de căldură prin convecție depinde de: viteza de mișcare a gazelor, diferența de temperatură dintre mediul de încălzire și mediu încălzit, natura fluxului de gaze în jurul suprafeței de încălzire - longitudinală sau transversală, tipul de suprafață - netedă sau nervură. Principalele modalități de intensificare a transferului de căldură prin convecție sunt: ​​creșterea vitezei gazelor, învârtirea lor în conductele de gaz, creșterea suprafeței de încălzire datorită aripioarelor sale, creșterea diferenței de temperatură dintre mediul de încălzire și mediul încălzit și spălarea în contracurent (în contracurent). .

Exemplu. Luați în considerare efectul calcarului și al funinginei asupra transferului de căldură într-un cazan folosind datele din această secțiune. Acceptăm grosimea peretelui secțiunii cazanului din fontă δ 1 \u003d 8 mm și stratul de sol depus pe acesta cu o grosime de δ 2 \u003d 2 mm și stratul de funingine δ 3 \u003d 1 Gmm. Coeficienții de conductivitate termică a peretelui λ 1 , scara λ 2 și respectiv funinginei λ 3 sunt luați egali cu 54; 0,1 și 0,05 kcal / (m × h × grade) (√62,7; 0,116 și 0,058 W / (m 2 × K). Valorile coeficienților de transfer de căldură: de la, gaze către perete α 1 \u003d 20 kcal / ( m 2 × grade); de la perete la apă α 2 = 1000 kcal / (m 2 × h × grade). Temperatura gazelor se ia egală cu t gaz = 800 ° C, apa t = 95 C .

Facem calcule pentru pereții curați și contaminați ai unui cazan din fontă.

A. Peretele cazanului este curat.

Aflați coeficientul de transfer de căldură:

K \u003d (l / α 1 + δ / λ + l / α 2) -1 \u003d (1/20 + 0,008 / 54 + 1/1000) -1 \u003d 1 / 0,0512 \u003d 19,5 kcal / (m 2 × h × grade) = 22,6 W / (m 2 × grade) și flux de căldură prin perete.

q \u003d K∆t \u003d 19,5 (800-95) \u003d 13700 kcal / (m 2 × h) \u003d 15850 W / (m 2).

Să determinăm temperatura suprafeței exterioare a peretelui secțiunii din fontă folosind formula

q \u003d α 1 (t gaz - t st) -1 q \u003d α 1 t gaz - α 1 t st; α i t st = α 1 t gaz

t st \u003d t gaz - q / α 1 \u003d 800 - 13700/20 \u003d 115 ° С.

Din calcul se poate observa că, cu un perete curat al cazanului, temperatura acestuia diferă puțin de temperatura apei din interiorul cazanului.

B. Peretele cazanului murdar.

Repetând întregul calcul, găsim:

K \u003d (l / α 1 + δ 1 / λ 1 + δ 2 / λ 2 + δ 3 / λ 3 + 1 / α 2) -1 \u003d (1/20 + 0,008 / 54 + 0,002 / 0,1 (+ 0,001 / 0,05+ 1 \u003d 1000) -1 \u003d (0,0912) -1 \u003d 11 kcal / (m 2 × h × 1 × grindină) \u003d 12,7 W / (m 2 × grindină)

q \u003d 11 (800 - 95) \u003d 7750 kcal / (m 2 × h) \u003d 8960 W / (m 2), t st \u003d 800 - 7750/20 \u003d 412C.

Din calcul se poate observa că depunerea de funingine este nedorită deoarece, având o conductivitate termică scăzută, îngreunează transferul căldurii de la gazele de ardere către pereții cazanului. Aceasta duce la un consum excesiv de combustibil, o scădere a producției de abur sau apă caldă de către cazane.

Scara, având o conductivitate termică scăzută, reduce semnificativ transferul de căldură de la peretele cazanului la apă, drept urmare pereții devin foarte supraîncălziți și în unele cazuri; spart, provocând defecțiuni ale cazanului.

Comparând rezultatele calculului, vedem că transferul de căldură prin peretele contaminat s-a redus aproape la jumătate, temperatura peretelui secțiunii din fontă în timpul scalei a crescut la limite periculoase, în funcție de rezistența metalului, ceea ce poate duce la ruptura de sectiune. Acest exemplu arată clar necesitatea curățării regulate a cazanului atât de calcar, cât și de funingine sau cenușă.

Instruire

Conductivitatea termică este transferul de căldură de la părțile mai încălzite ale unei substanțe către părțile mai puțin încălzite, ceea ce duce la egalizarea temperaturii substanței. Moleculele unei substanțe cu mai multă energie o transferă către moleculele cu mai puțină energie. Conductivitatea termică se referă la legea Fourier, care este relația dintre gradientul de temperatură în mediu și densitatea fluxului de căldură. Gradientul este un vector care arată direcția în care se modifică câmpul scalar. Abaterile de la această lege pot apărea la unde de șoc foarte puternice (valori mari de gradient), la temperaturi foarte scăzute și în gazele rarefiate, când moleculele unei substanțe se ciocnesc mai des cu pereții vasului decât între ele. În cazul gazelor rarefiate, procesul de transfer de căldură este considerat nu ca transfer de căldură, ci ca transfer de căldură între corpuri într-un mediu gazos.

Acesta este transferul de căldură în lichide, gaze sau solide, conform teoriei cinetice. Esența teoriei cinetice este că toate corpurile (materialele) constau din atomi și molecule care sunt în mișcare continuă. Pe baza acestei teorii, convecția este transferul de căldură între substanțe la nivel molecular, cu condiția ca corpurile să fie sub influența gravitației și încălzite neuniform. O substanță încălzită, sub acțiunea gravitației, se mișcă în raport cu o substanță mai puțin încălzită în direcția opusă gravitației. Substanțele mai calde se ridică, iar cele mai reci se scufundă. Slăbirea efectului de convecție se observă în cazurile de conductivitate termică ridicată și un mediu vâscos, precum și gradul de ionizare a acestuia și câmpul magnetic afectează puternic convecția în gazele ionizate.

Radiație termala. O substanță, datorită energiei interne, creează radiații electromagnetice cu spectru continuu, care pot fi transmise între substanțe. Poziția maximului spectrului său depinde de cât de fierbinte este substanța. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât substanța eliberează mai multă energie și, prin urmare, cu atât mai multă căldură poate fi transferată.

Transferul de căldură poate avea loc printr-un perete subțire sau despărțitor între corpuri, de la o substanță mai caldă la una mai puțin caldă. O substanță mai încălzită transferă o parte din căldură pe perete, după care procesul de transfer de căldură are loc în perete și căldura este transferată de la perete la o substanță mai puțin încălzită. Intensitatea cantității de căldură transferată depinde direct de coeficientul de transfer de căldură, care este definit ca cantitatea de căldură transferată prin suprafața unitară a partiției pe unitatea de timp la o diferență de temperatură între substanțe de 1 Kelvin.