Každé hmotné telo má takú charakteristiku ako teplo, ktoré sa môže zvyšovať a znižovať. Teplo nie je hmotná látka: ako súčasť vnútornej energie látky vzniká v dôsledku pohybu a interakcie molekúl. Pretože teplo rôznych látok sa môže líšiť, existuje proces prenosu tepla z teplejšej látky na látku s menším teplom. Tento proces sa nazýva prenos tepla. V tomto článku zvážime hlavné a mechanizmy ich pôsobenia.
Definícia prenosu tepla
Prenos tepla alebo proces prenosu teploty môže prebiehať v hmote aj z jednej látky do druhej. Intenzita prestupu tepla zároveň do značnej miery závisí od fyzikálnych vlastností hmoty, teploty látok (ak sa na prenose tepla podieľa viacero látok) a fyzikálnych zákonov. Prenos tepla je proces, ktorý vždy prebieha jednostranne. Hlavným princípom prenosu tepla je, že najhorúcejšie teleso vždy odovzdáva teplo objektu s nižšou teplotou. Napríklad pri žehlení odevov horúca žehlička vydáva teplo nohaviciam a nie naopak. Prestup tepla je časovo závislý jav, ktorý charakterizuje nezvratné rozloženie tepla v priestore.
Mechanizmy prenosu tepla
Mechanizmy tepelnej interakcie látok môžu mať rôzne podoby. V prírode existujú tri typy prenosu tepla:
- Tepelná vodivosť je mechanizmus prenosu medzimolekulového tepla z jednej časti tela do druhej alebo do iného objektu. Vlastnosť je založená na nehomogenite teploty v posudzovaných látkach.
- Konvekcia - výmena tepla medzi tekutými médiami (kvapalina, vzduch).
- Radiačná expozícia je prenos tepla z telies (zdrojov) ohrievaných a ohrievaných v dôsledku ich energie vo forme elektromagnetických vĺn s konštantným spektrom.
Pozrime sa podrobnejšie na uvedené typy prenosu tepla.
Tepelná vodivosť
Najčastejšie sa tepelná vodivosť pozoruje v pevných látkach. Ak sa pod vplyvom akýchkoľvek faktorov objavia v tej istej látke oblasti s rôznymi teplotami, potom tepelná energia z teplejšej oblasti prejde do studenej. V niektorých prípadoch možno tento jav pozorovať aj vizuálne. Napríklad, ak vezmeme kovovú tyč, povedzme, ihlu a zahrejeme ju na oheň, potom po určitom čase uvidíme, ako sa tepelná energia prenáša cez ihlu a vytvára žiaru v určitej oblasti. Zároveň na mieste, kde je vyššia teplota, je žiara jasnejšia a naopak, kde je t nižšie, je tmavšia. Tepelnú vodivosť možno pozorovať aj medzi dvoma telami (hrnčekom horúceho čaju a rukou)
Intenzita prestupu tepla závisí od mnohých faktorov, ktorých pomer odhalil francúzsky matematik Fourier. Medzi tieto faktory patrí predovšetkým teplotný gradient (pomer teplotného rozdielu na koncoch tyče k vzdialenosti od jedného konca k druhému), plocha prierezu tela a koeficient tepelnej vodivosti ( pre všetky látky je rozdielna, ale najvyššia sa pozoruje pri kovoch). Najvýznamnejší koeficient tepelnej vodivosti sa pozoruje pri medi a hliníku. Nie je prekvapujúce, že tieto dva kovy sa častejšie používajú pri výrobe elektrických drôtov. Podľa Fourierovho zákona sa tepelný tok môže zvýšiť alebo znížiť zmenou jedného z týchto parametrov.
Konvekčné typy prenosu tepla
Konvekcia, ktorá je charakteristická hlavne pre plyny a kvapaliny, má dve zložky: medzimolekulové vedenie tepla a pohyb (šírenie) média. Mechanizmus účinku konvekcie nastáva takto: so zvýšením teploty tekutej látky sa jej molekuly začnú pohybovať aktívnejšie a pri absencii priestorových obmedzení sa objem látky zväčší. Dôsledkom tohto procesu bude zníženie hustoty látky a jej pohyb nahor. Pozoruhodným príkladom konvekcie je pohyb vzduchu ohrievaného radiátorom z batérie k stropu.
Existujú voľné a nútené konvekčné typy prenosu tepla. Prenos tepla a pohyb hmoty vo voľnom type nastáva v dôsledku heterogenity látky, to znamená, že horúca kvapalina stúpa nad studenú prirodzeným spôsobom bez vplyvu vonkajších síl (napríklad vykurovanie miestnosti ústredným kúrením). . Pri nútenej konvekcii dochádza k pohybu hmoty pôsobením vonkajších síl, napríklad miešaním čaju lyžičkou.
Prenos tepla sálaním
Prenos tepla sálaním alebo sálaním môže prebiehať bez kontaktu s iným predmetom alebo látkou, preto aj pri sálaní je prenos tepla vo väčšej či menšej miere vlastný všetkým telesám a prejavuje sa vo forme elektromagnetických vĺn so spojitým spektrom. Typickým príkladom toho je slnko. Mechanizmus účinku je nasledujúci: telo neustále vyžaruje určité množstvo tepla do priestoru, ktorý ho obklopuje. Keď táto energia zasiahne iný predmet alebo látku, časť sa pohltí, druhá časť prejde a tretia časť sa odrazí do okolia. Akýkoľvek predmet môže vyžarovať teplo aj absorbovať, zatiaľ čo tmavé látky sú schopné absorbovať viac tepla ako svetlé.
Kombinované mechanizmy prenosu tepla
V prírode sa typy procesov prenosu tepla zriedka nachádzajú oddelene. Oveľa častejšie ich možno vidieť spolu. V termodynamike majú tieto kombinácie dokonca názvy, napríklad tepelná vodivosť + prúdenie je konvekčný prenos tepla a tepelná vodivosť + tepelné žiarenie sa nazýva sálavo-vodivý prenos tepla. Okrem toho existujú také kombinované typy prenosu tepla ako:
- Prenos tepla je pohyb tepelnej energie medzi plynom alebo kvapalinou a pevnou látkou.
- Prenos tepla je prenos t z jednej hmoty do druhej cez mechanickú prekážku.
- Konvekčno-sálavé odovzdávanie tepla vzniká spojením konvekcie a tepelného žiarenia.
Typy prenosu tepla v prírode (príklady)
Prenos tepla v prírode zohráva obrovskú úlohu a neobmedzuje sa len na zahrievanie zemegule slnečnými lúčmi. Rozsiahle konvekčné prúdy, ako napríklad pohyb vzdušných hmôt, do značnej miery určujú počasie na celej našej planéte.
Tepelná vodivosť zemského jadra vedie k objaveniu sa gejzírov a erupcii sopečných hornín. V celosvetovom meradle je to len malá časť. Spolu tvoria typy konvekčného prenosu tepla a radiačno-vodivé typy prenosu tepla potrebné na udržanie života na našej planéte.
Využitie prenosu tepla v antropologických aktivitách
Teplo je dôležitou súčasťou takmer všetkých priemyselných procesov. Ťažko povedať, ktorý typ výmeny tepla človek v národnom hospodárstve využíva najviac. Pravdepodobne všetky tri naraz. Prostredníctvom procesov prenosu tepla sa kovy tavia, čím sa vyrába obrovské množstvo tovaru, od každodenných predmetov až po vesmírne lode.
Tepelné jednotky schopné premieňať tepelnú energiu na užitočnú energiu sú pre civilizáciu mimoriadne dôležité. Medzi nimi sú benzínové, naftové, kompresorové, turbínové jednotky. Pre svoju prácu využívajú rôzne druhy prenosu tepla.
Základy teórie prestupu tepla.
Prenos tepla- veda, ktorá študuje prenos tepla medzi telesami a rozloženie teploty v telesách.
Hlavné formy prenosu tepla:
1. Tepelná vodivosť.
2. Konvekčný prenos tepla.
3. Prenos tepla sálaním.
Tepelná vodivosť je proces prenosu tepla priamym kontaktom telies alebo jednotlivých častí tela, ktoré majú rôznu teplotu. V tomto prípade dochádza k procesu prenosu tepla v dôsledku prenosu energie mikropohybu niektorých častíc na iné.
Vo svojej čistej forme sa tepelná vodivosť pozoruje v pevných látkach, ako aj v stacionárnych plynoch a kvapalinách v prípade, že v nich nie je konvekcia.
Tepelný tok , .
Fourierov zákon: Tepelný tok je úmerný teplotnému a plošnému gradientu, t.j.
Hustota tepelného toku, .
Súčiniteľ tepelnej vodivosti - množstvo tepla, ktoré prejde za jednotku času jednotkovým povrchom cez jednotkovú hrúbku steny pri poklese teploty o jeden stupeň.
Konvekčný prenos tepla- proces prenosu tepla, ktorý sa uskutočňuje v priestore (v objeme), v dôsledku pohybu makro častíc.
V tomto procese dochádza k spoločnému pôsobeniu konvekcie (pohybu) a prenosu tepla v dôsledku vedenia tepla.
Newtonova rovnica: , kde je hrúbka hraničnej vrstvy, v ktorej dochádza k prenosu tepla v dôsledku vedenia tepla; - koeficient prestupu tepla konvekciou, .
Prenos tepla sálaním- prenos tepla sa uskutočňuje v priestore vďaka energii elektromagnetických vĺn.
Stefan-Boltzmannov zákon: , kde je intenzita žiarenia absolútne čierneho telesa.
Newton-Richmannova rovnica: , kde je koeficient prestupu tepla sálaním.
Tepelná vodivosť.
teplotné pole- súbor hodnôt teploty v jednotlivých bodoch tela v závislosti od časových a priestorových súradníc.
Matematický zápis nestacionárneho trojrozmerného teplotného poľa: . Matematický zápis stacionárneho trojrozmerného poľa: . Toto pole sa nazýva stacionárne, pretože .
Izotermický povrch je miesto bodov s rovnakou teplotou.
izoterma je priesečník izotermickej plochy s kolmou rovinou.
Izotermický povrch sa buď uzavrie vo vnútri telesa, alebo sa odlomí na jeho hranici.
teplotný gradient je vektor smerovaný pozdĺž normály k izotermickému povrchu v smere rastúcej teploty a číselne sa rovná hranici pomeru zmeny teploty k vzdialenosti medzi izotermami pozdĺž normály ( 0 S/m)
Fourierov zákon:
Tepelný tok: , .
Hustota tepelného toku: , , .
Úlohy teórie vedenia tepla:
1. Nájdite nestacionárne trojrozmerné teplotné pole, .
2. Nájdite tepelný tok a hustotu tepelného toku, , .
Otázka č. 32
Diferenciálna rovnica vedenia tepla.
Konvencie:
1. Termofyzikálne vlastnosti sústavy: , , .
2. Mikročastice tela sú nehybné.
3. Vnútorné zdroje tepla sú v tele rovnomerne rozložené.
Kde je koeficient tepelnej difúznosti charakterizujúci rýchlosť zmeny teploty v ktoromkoľvek bode telesa, ;
je tepelná kapacita tela; je hustota tela; je objemová hustota uvoľňovania tepla, wm/m 3; - teplota; je Laplaceov operátor.
(pre polárne súradnice , , ), .
Podmienky jedinečnosti– matematický popis konkrétnych vlastností posudzovaného procesu.
Riešením rovnice dostaneme všeobecné riešenie, ktoré nám spolu s podmienkami jednoznačnosti poskytne konkrétne riešenia.
Podmienená jedinečnosť:
1. Geometrické podmienky:
a. Tvar tela:
i. Ploché telo.
ii. Valcové telo.
iii. guľovité telo.
b. Obmedzené telo.
c. Neobmedzené telo.
2. Fyzické podmienky:
a. Povaha zmeny fyzikálnych parametrov:
i. Povaha zmeny.
ii. Povaha zmeny.
iii. Povaha zmeny.
iv. Povaha zmeny.
3. Počiatočné podmienky (dočasné):
4. Okrajové podmienky:
a. Okrajové podmienky prvého druhu - zákon zmeny teploty na hranici tela:
b. Okrajové podmienky druhého telesa - zákon zmeny teplotného toku v stene telesa:
c. Okrajové podmienky tretieho druhu:
i. Zákon zmeny teploty okolia.
ii. Zákon, podľa ktorého si telo vymieňa teplo s okolím.
d. Okrajové podmienky štvrtého druhu, .
Otázka č. 33
1. Plochá stena.
Vzhľadom na to: , , .
Nájsť: , , .
Riešenie:
Spoločné rozhodnutie: .
Hraničné podmienky: .
Tepelný odpor rovnej steny - .
Pomer sa nazýva tepelná vodivosť steny.
Otázka č. 34
Zvážte prenos tepla vedením tepla cez plochá trojvrstvová stena(obr. 2b) za nasledujúcich podmienok: hrúbka vrstvy steny , , ;
koeficienty tepelnej vodivosti materiálov, respektíve, , , ; kontakt medzi stenami je ideálny a teplota na hranici susedných vrstiev je rovnaká. K prenosu tepla dochádza v stacionárnych podmienkach - hustota tepelného toku cez všetky vrstvy steny má rovnakú hodnotu ( q=tamtiež). Za týchto podmienok:
Vyberme z tohto radu rovníc teplotný rozdiel (teplotný pokles naprieč vrstvami steny)
Pridaním ľavej a pravej časti rovníc teplotného rozdielu dostaneme vľavo zmenu teploty v stene, vpravo súčin hustoty tepelného toku q a celkový tepelný odpor
Pre hustotu tepelného toku pri prenose tepla tepelnou vodivosťou cez plochú trojvrstvovú stenu teda získame nasledujúci výraz:
Vo všeobecnosti pre stenu pozostávajúcu z n - vrstvy, tento výraz bude napísaný takto:
Kde R je celkový tepelný odpor viacvrstvovej steny.
Otázka č. 35
Množstvo tepla, ktoré kvapalina odovzdáva pevnej stene alebo ktoré kvapalina vníma zo steny, je určené Newtonovou-Richmannovou rovnicou.
a hustota tepelného toku je nasledovná
kde α je koeficient charakterizujúci podmienky výmeny tepla medzi kvapalinou a povrchom tuhej látky, tzv koeficient prestupu tepla, W/(m 2 °C); - teplotný rozdiel, 0 С.
V súlade so vzorcom (61) vo fyzikálnom význame je koeficient prestupu tepla hustota tepelného toku ( q) na povrchu telesa, vztiahnuté na teplotný rozdiel medzi povrchom telesa a prostredím. Koeficient prestupu tepla sa číselne rovná hustote tepelného toku pri teplotnom rozdiele rovnajúcom sa jednotke.
Koeficient prestupu tepla závisí od mnohých faktorov. V najvšeobecnejšom prípade ide o funkciu tvaru a veľkosti telesa, spôsobu pohybu tekutiny, fyzikálnych vlastností tekutiny, polohy v priestore a stavu teplovýmennej plochy a ďalších veličín. Proces prenosu tepla v závislosti od charakteru pohybu kvapaliny prebieha odlišne.
Otázka č. 36
Prenos tepla sálaním.
Pevné látky vyžarujú a absorbujú energiu v celom rozsahu vlnových dĺžok povrchovou vrstvou. Intenzita žiarenia závisí len od teploty. Podobne sa správajú aj kvapaliny. Plyny vyžarujú a absorbujú energiu v obmedzenom rozsahu vlnových dĺžok v celom svojom objeme. Emisná intenzita plynov závisí od teploty, hrúbky vrstvy a parciálneho tlaku komponentov.
žiarivá energia je energia vyžarovaná telom v celom rozsahu vlnových dĺžok, .
Intenzita žiarenia je množstvo energie vyžiarenej z jednotkovej plochy, .
Energiu žiarenia možno nájsť podľa vzorca: .
Zákon zachovania energie: .
Kde je koeficient odrazu, je koeficient absorpcie, je koeficient priehľadnosti.
Ak , to znamená, potom sa telo nazýva absolútne biele.
Ak , to znamená , potom sa telo nazýva absolútne čierne.
Hustota integrálneho žiarenia, vztiahnuté na uvažovaný rozsah vlnových dĺžok, sa nazýva spektrálna intenzita žiarenia(W/m3):
Uhlová intenzita: .
Spektrálna uhlová intenzita: .
Planckov zákon stanovuje závislosť intenzity žiarenia čierneho telesa E 0λ z vlnovej dĺžky λ a teplotu T
Stefan-Boltzmannov zákon: .
Stupeň čiernosti: .
Kirchhoffov zákon je formulovaný takto: pomer hustoty pologuľového integrálneho žiarenia k absorpčnej kapacite je rovnaký pre všetky telesá s rovnakou teplotou a rovná sa hustote integrálneho pologuľového žiarenia úplne čierneho telesa pri rovnakej teplote: , kde je koeficient absorpcie.
Množstvo tepla, ktoré zostane v jednom z dvoch telies:.
Wienov vysídlený zákon hovorí - vlnová dĺžka, ktorá zodpovedá maximálnej hodnote intenzity žiarenia (E 0λ = max), je nepriamo úmerná absolútnej teplote Obr.11
Otázka č. 37
Prenos tepla sálaním medzi pevnými látkami.
Na základe zákonov žiarenia sa získa výpočtová rovnica pre prenos sálavého tepla medzi telesom 1 ľubovoľného tvaru a povrchom iného väčšieho telesa 2, ktoré ho pokrýva (obr. 14).
Kde Q 1.2 je tepelný tok prenášaný žiarením z telesa 1 na teleso 2, W;
ε 1,2 je znížená emisivita telies 1 a 2, určená z výrazu
F1 A F2 sú povrchy telies 1 a 2, m2; T 1 a T 2- absolútna teplota povrchov telies 1 a 2, K.
Takýto prípad sa nazýva aj prenos tepla sálaním medzi telesom a jeho plášťom; vnútorné telo je vždy telo 1.
Špeciálnym prípadom uvažovaného prestupu tepla je prestup tepla medzi dvoma rovnobežnými neobmedzenými stenami (obr. 15). Kedy F1 = F2 = F, použije sa výpočtová rovnica pre prenos tepla sálaním a z výrazu sa určí znížený stupeň emisivity
Rovnicu (2.57) je možné použiť na výpočet výmeny sálavého tepla medzi dvoma telesami ľubovoľného tvaru a ich ľubovoľným umiestnením, len v každom konkrétnom prípade na určenie zníženej emisivity a povrchu (napr. ε 1,2 A F 1.2) majú svoje vlastné výpočtové výrazy.
Otázka č. 38
Prenos tepla cez ploché jednovrstvové a viacvrstvové
plochá stena
Tepelná rovnica: .
Okrajové podmienky prvého druhu: .
Okrajové podmienky tretieho druhu: , .
V tejto sérii rovností prvá rovnica určuje množstvo tepla prenášaného konvekciou (a sálaním) z horúceho chladiva na stenu; druhá rovnica je rovnaké množstvo tepla preneseného tepelnou vodivosťou cez stenu; treťou rovnicou je prenos rovnakého množstva tepla odovzdaného konvekciou (a sálaním) zo steny do chladiacej kvapaliny.
Vyberme z tohto radu rovníc teplotný rozdiel
Sčítaním ľavej a pravej časti rovníc charakterizujúcich teplotný rozdiel a berúc do úvahy, že dostaneme výraz pre konečný teplotný rozdiel
kde je tepelný odpor plochej steny ( m 2 0 С\Bm)
Odtiaľto nasleduje výraz pre hustotu tepelného toku a tepelný tok (rovnica prenosu tepla plochej steny)
Kde q je hustota tepelného toku ( W/m2);
Q je tepelný tok ( W);
k = 1/R- koeficient prestupu tepla plochej steny (W / m 2 ºС)
kde je tepelný odpor prestupu tepla plochej steny (m 2 ºС / W);
; - tepelné odpory prestupu tepla zo strany horúceho chladiva, tepelná vodivosť plochej steny a tepelné odpory prestupu tepla zo strany studeného chladiva, resp.
Teplota vnútorného a vonkajšieho povrchu steny sa určuje z nasledujúcich úvah:
preto máme
V prípade viacvrstvovej steny
Otázka č. 39
Prenos tepla- prenos tepla z jedného nosiča na druhý cez pevný povrch, ktorý ich oddeľuje.
Stacionárny proces- proces, pri ktorom sa nemenia teploty médií, teda .
Nestacionárny proces- proces, pri ktorom sa menia teploty médií, teda .
Pre zakrivené steny sa súčiniteľ prestupu tepla zvyčajne určuje rovnakou rovnicou ako pre rovnú stenu.V tomto prípade pre zakrivené steny sa vypočítaná teploprestupová plocha určí z výrazu
Vodný ekvivalent teplovýmennej plochy.
Pre valcové steny: .
Lineárny koeficient prestupu tepla: .
Súčiniteľ prestupu tepla pre vnútornú stenu: .
Súčiniteľ prestupu tepla pre vonkajšiu stenu: .
Otázka č. 40-41
Klasifikácia výmenníkov tepla.
1. Podľa typu akcie:
a. Zariadenia povrchového typu - zariadenia, v ktorých dochádza k prenosu tepla v prítomnosti pevného povrchu.
i. Regeneračné zariadenia sú zariadenia povrchového typu, v ktorých je pevný povrch striedavo umývaný horúcimi a studenými chladiacimi kvapalinami. Tieto zariadenia sa používajú v prípadoch, keď majú tepelné nosiče vysoké teploty, alebo keď nosiče tepla nie sú čisté.
ii. Rekuperačné zariadenia sú zariadenia povrchového typu, v ktorých sa pevný povrch nepretržite omýva horúcimi a teplými nosičmi tepla cez oddeľujúce povrchy.
1. Plášťové a rúrkové výmenníky tepla.
2. Zariadenia typu "potrubie v potrubí":
a. Jednoprúdové zariadenia typu "potrubie v potrubí".
b. Viacprúdové zariadenia typu "potrubie v potrubí".
b. Zariadenia zmiešavacieho typu - zariadenia, v ktorých dochádza k priamemu miešaniu teplých a studených nosičov tepla.
Schéma zariadenia typu "potrubie v potrubí":
Zariadenia tohto typu majú jednoduchú konštrukciu a vysoké prietoky, avšak na získanie veľkých kapacít zariadenia je potrebné inštalovať veľké množstvo konštrukčných prvkov a samotné zariadenie zaberá veľa miesta.
Schéma prístroja rúrkového typu:
V takýchto zariadeniach je možné vytvárať priame prúdenie, protiprúdové, priečne prúdenie, symetrické prúdenie v tvare U a iné.
Tepelná bilancia výmenníka tepla: , kde je koeficient účinnosti tepelného prístroja, .
1. (hydraulický odpor je nízky), potom , , , pri .
2. Kondenzátor.
3. Výparník.
Výkon tepelného aparátu (Grosgofova rovnica): , kde je priemerný teplotný rozdiel.
Pre dopredný tok: , .
Pre protiprúd: , .
Kde a sú vodné ekvivalenty teplovýmennej plochy.
Pre akúkoľvek schému je možné ju určiť v súlade s dvoma metódami:
1. Klasická technika: , kde - koeficient v závislosti od typu a vlastností teplého aparátu sa určí z grafov funkcií a .
2. Belokonova metóda. Protiprúdový index:
Pre tok vpred.
Pre protiprúd.
Pre symetrický obvod v tvare U.
Pre akúkoľvek schému je priemerný teplotný rozdiel: .
Otázka č. 42
Existujú dva typy výpočtov pre tepelné zariadenia:
1. Výpočet prvého druhu (konštruktívny). Známe: , , , , , , , . Úloha: Výber alebo návrh výmenníka tepla ( , ). a - kondenzačná teplota.
1. Parokompresné chladiace stroje, v ktorých je pracovnou tekutinou para a pracovný proces prebieha v kompresore.
2. Vzduchové chladiče, v ktorých je pracovnou tekutinou vzduch.
3. Absorpčné chladničky, v ktorých sú pary absorbované vodnými roztokmi.
4. Parné prúdové chladiace stroje s injektormi ako pohonom.
Pracovný proces parnej kompresnej chladiacej jednotky:
1-2 - adiabatická kompresia; 4-5 - proces škrtenia.
Schéma parnej kompresnej chladiacej jednotky:
Takéto zariadenia fungujú v nasledujúcom teplotnom rozsahu: .
8. Parné prúdové chladiace stroje s injektormi ako pohonom.
VÝMENA TEPLA
VÝMENA TEPLA(prenos tepelnej energie), proces prenosu tepla z jedného objektu do druhého. K prenosu dochádza v čase, keď sú dve alebo viac telies s rôznymi teplotami v tepelnom kontakte. Existujú tri typy prenosu tepla: KONVENCIA TEPLA, KONVEKCIA a ŽIARENIE. Pri vedení tepla dochádza v tele k prenosu tepla z molekuly na molekulu, ako napríklad pri železnej tyči vloženej do ohňa. Pri konvekcii sa teplo prenáša cirkuláciou kvapaliny alebo plynu, ako pri vare. Pri vyžarovaní sa teplo prenáša vo forme elektromagnetických vĺn, ako je slnečné svetlo. Procesy výmeny tepla sú neoddeliteľnou súčasťou mnohých výrobných procesov, kedy sa tepelná energia z jedného zdroja prenáša do druhého bez ich kombinácie. Najjednoduchším príkladom prenosu tepla je využitie prenosu tepla, kedy je potrubný systém s vyvinutým vonkajším povrchom a vnútri prúdiaca horúca kvapalina ponorený do nádoby, cez ktorú preteká iná studená kvapalina a v dôsledku prenosu tepla dochádza k teplu. preniesť z horúcej do studenej tekutiny.
Pri zahrievaní panvice možno pozorovať tri typy prenosu tepla: (A) vedenie cez kovové steny panvice (1), konvekčný pohyb tekutiny (2) a žiarenie zo zdroja tepla prenášané na panvicu (3) . Teoreticky dobre izolovaný vodič tepla, ktorého jeden koniec je umiestnený v ľade a druhý vo vriacej vode, mení teplotu pozdĺž svojej dĺžky (B) lineárne, ako priamka na grafe. Charakteristika zmeny teploty slabo izolovaného vodiča je znázornená zakrivenou bodkovanou čiarou. Termoska (C) obsahuje vákuum (4) medzi stenami, aby sa zabránilo vedeniu tepla a konvekcii, a postriebrené steny, aby sa zabránilo tepelným stratám sálaním.
Vedecko-technický encyklopedický slovník.
Synonymá:Pozrite si, čo je „HEAT EXCHANGE“ v iných slovníkoch:
Prenos tepla... Slovník pravopisu
Spontánny nevratný proces prenosu tepla v dôsledku teplotného gradientu. Vo všeobecnosti môže byť prestup tepla spôsobený aj nehomogenitou polí iných fyzikálnych. hodnoty, napr. koncentračný gradient (pozri DUFOUROV EFEKT). Rozlišovať…… Fyzická encyklopédia
PRENOS TEPLA, spolu s prácou v termodynamike, je jedným z typov výmeny energie termodynamického systému (fyzického tela) s okolitými telesami, ku ktorému dochádza prostredníctvom procesov vedenia tepla, konvekcie alebo žiarenia a nie je sprevádzaný ... .. . Moderná encyklopédia
Samovoľný nevratný proces prestupu tepla z viac zohriatych telies (alebo častí telies) do menej ohriatych (vo všeobecnosti môže byť prestup tepla spôsobený aj nehomogenitou polí iných fyzikálnych veličín, napr. rozdiel v koncentráciách m ... ... Veľký encyklopedický slovník
Prenos tepla, prenos tepla, prenos tepla Slovník ruských synoným. výmenník tepla č., počet synoným: 4 výmenník (55) ... Slovník synonym
VÝMENA TEPLA- samovoľný nevratný proces distribúcie tepelnej energie z viac zohriatych telies alebo častí tela do menej ohriatych bez vykonania práce. Existujú tieto typy T.: (pozri), tepelná vodivosť (pozri) a prenos tepla sálaním ... ... Veľká polytechnická encyklopédia
TEPELNÁ VÝMENA, manžel. (špecialista.). Proces nevratného prenosu tepla z teplejších telies na chladnejšie. Regulácia výmeny tepla. | adj. výmenník tepla, oh, oh. Vysvetľujúci slovník Ozhegov. S.I. Ozhegov, N.Yu. Švedova. 1949 1992 ... Vysvetľujúci slovník Ozhegov
výmena tepla- Spontánny nevratný proces prenosu tepla v dôsledku teplotného gradientu [Terminologický slovník pre stavebníctvo v 12 jazykoch (VNIIIS Gosstroy ZSSR)] Témy termodynamika EN výmena teplaintercambio térmico DE… … Technická príručka prekladateľa
Výmena tepla- - samovoľný proces prenosu tepla z viac vyhrievaných častí betónu do menej vyhrievaných. [Terminologický slovník pre betón a železobetón. Federal State Unitary Enterprise "Výskumné centrum" Stavebné "NIIZHB nich. A. A. Gvozdeva, Moskva, 2007, 110 strán] Nadpis ... ... Encyklopédia pojmov, definícií a vysvetlení stavebných materiálov
Výmena tepla- samovoľný nezvratný prenos tepla v priestore s nerovnomerným teplotným poľom, charakterizovaný teplotným gradientom. K prenosu tepla dochádza z viac zahriatych telies na menej zahriate a je charakterizovaný vektorom ... ... Encyklopedický slovník hutníctva
knihy
- Prenos tepla v jednofázových médiách a pri fázových premenách. Učebnica, V. V. Yagov, Obsah učebnice zodpovedá programu disciplíny „Prenos tepla a hmoty“, ktorý sa číta študentom študujúcim v odbore termofyzika v rámci učebného smeru „140700. ... Kategória: Termodynamika a štatistická fyzika Vydavateľ: MPEI,
- Prenos tepla a tepelné skúšanie materiálov a konštrukcií leteckých zariadení pri vykurovaní žiarením , Victor Eliseev , Monografia je venovaná problematike prestupu tepla a tepelnému skúšaniu materiálov a konštrukcií leteckých zariadení pomocou zdrojov žiarenia vysokej intenzity. Výsledky sú prezentované... Kategória: Náučná literatúra Vydavateľ:
Spôsoby prenosu tepla - teplo sa vždy odovzdáva z telies, ktoré sú teplejšie, na menej horúce. Spôsoby prenosu tepla z pevného telesa (steny) do kvapaliny alebo plynu obtekajúceho okolo neho sa nazývajú prenos tepla. Spôsoby prenosu tepla z jedného média do druhého, oddelené priečkou (stenou), sa nazývajú prenos tepla. Existujú tri spôsoby prenosu tepla: vedenie, prúdenie a žiarenie (žiarenie).
Tepelná vodivosť je proces šírenia tepla v tele (jednom) prenosom kinetickej energie z viac zohriatych molekúl na menej zohriate, ktoré sú vo vzájomnom kontakte. Vo svojej čistej forme sa tepelná vodivosť uskutočňuje v pevných látkach vo veľmi tenkých, nehybných vrstvách kvapaliny a plynu.
Metódy prenosu tepla sa šíria stenami kotla. Tepelná vodivosť rôznych látok je rôzna. Kovy sú dobrými vodičmi tepla. Tepelná vodivosť vzduchu je veľmi nízka. Slabo vedú teplo porézne telesá, azbest, plsť a sadze.
Konvekcia je prenos tepla v dôsledku pohybu molárnych objemov média. Zvyčajne sa konvekčný spôsob prenosu tepla vyskytuje spolu s tepelnou vodivosťou a uskutočňuje sa v dôsledku voľného alebo núteného pohybu molárnych objemov kvapaliny alebo plynov (prirodzená alebo nútená konvekcia). Prirodzenou konvekciou sa šíri teplo z kachlí, vykurovacích zariadení, pri ohreve vody v parných kotloch, chladiacich obloženiach kotlov a iných vykurovacích zariadeniach. Voľný pohyb kvapalín alebo plynov je spôsobený rôznymi hustotami ohriatych a studených častíc média. Napríklad vzduch v blízkosti povrchu pece sa ohrieva, stáva sa ľahším, stúpa nahor a na jeho miesto vstupuje ťažší, chladnejší vzduch. V dôsledku toho dochádza v miestnosti k cirkulácii vzduchu, ktorý odovzdáva teplo.
Metódy prenosu tepla zahŕňajú konvekciu. Nútená konvekcia nastáva, keď sa teplo prenáša z vnútornej steny kotla do vody pohybujúcej sa pôsobením čerpadla.
Žiarenie (žiarenie) je prenos tepla z jedného telesa do druhého pomocou elektromagnetických vĺn cez médium priepustné pre tepelné žiarenie. Tento proces prenosu tepla je sprevádzaný premenou tepelnej energie na energiu sálavú a naopak sálavej energie na energiu tepelnú. Sálanie prenáša teplo z plameňa horiaceho paliva na povrch liatinových profilov alebo oceľových rúrok kotla. Žiarenie je najefektívnejší spôsob prenosu tepla, najmä ak má vyžarujúce teleso vysokú teplotu a lúče z neho smerujú kolmo na ohrievaný povrch.
Koncept prenosu tepla. Tri typy prenosu tepla diskutované vyššie v ich čistej forme sú veľmi zriedkavé. Vo väčšine prípadov je jeden druh sprevádzaný iným. Príkladom toho je prenos tepla z plynných produktov spaľovania na stenu teplovodného kotla (obr. 7). Vľavo je jeho povrch v kontakte s horúcimi plynnými splodinami horenia a má teplotu t 1 vpravo je obmývaný vodou a má teplotu t 2 Teplota v stene v smere osi x klesá.
Ryža. 7. Prenos tepla z plynných produktov spaľovania na stenu kotla.
V tomto prípade sa teplo z plynu do steny prenáša súčasne konvekciou, vedením tepla a sálaním (prenos tepla sálaním). Súčasný prenos tepla konvekciou, vedením a sálaním sa nazýva komplexný prenos tepla.
Výsledok súčasného pôsobenia jednotlivých elementárnych javov sa pripisuje jednému z nich, ktorý sa považuje za hlavný. Pri prenose tepla v spaľovacej komore zo spalín na vonkajšiu výhrevnú plochu kotla teda hrá dominantnú úlohu sálanie (sálanie), nazývané aj priamy spätný ráz, aj keď spolu s ním sa na ňom podieľa konvekcia aj tepelná vodivosť. prenos tepla.
Spôsoby prenosu tepla z vonkajšej vykurovacej plochy na vnútornú cez vrstvu sadzí, kovovú stenu a vrstvu vodného kameňa sa vykonávajú iba vedením tepla. Nakoniec z vnútornej vykurovacej plochy kotla do vody sa teplo odovzdáva len prúdením. V plynových potrubiach kotla je proces výmeny tepla medzi stenou sekcie a plynmi, ktoré ju premývajú, tiež výsledkom kombinovaného pôsobenia konvekcie, tepelnej vodivosti a sálania. Konvekcia sa však považuje za hlavný fenomén.
Kvantitatívna charakteristika prenosu tepla z jedného chladiva do druhého cez stenu, ktorá ich oddeľuje, je koeficient prestupu tepla K. Pre plochú stenu je koeficient K množstvo tepla preneseného za jednotku času: z jednej kvapaliny do druhej počas plocha 1 m 2 s teplotným rozdielom medzi nimi jeden stupeň. - určuje sa podľa vzorca:
K \u003d (1 / α 1 + δ 3 / λ 3 + δ st / λ st + δ n / λ n + 1 / α 2) -1
kde α 1 je koeficient prestupu tepla z plynov na stenu vykurovacej plochy, W / (m 2 × deg); δ 3 - hrúbka nánosov popola alebo sadzí (tzv. vonkajšie znečistenie), m; δ st - hrúbka steny sekcií alebo rúr, m; δ n - hrúbka šupiny (tzv. vnútorné znečistenie), m; λ 3 , λ st, λ in - zodpovedajúce koeficienty tepelnej vodivosti popola alebo sadzí, stien a vodného kameňa, W / (m × stupeň); a2-. súčiniteľ prestupu tepla zo steny do vody / W / (m 2 × st.).
V súlade s vyššie uvedeným príkladom komplexného prenosu tepla (pozri obr. 7) sa celkový súčiniteľ prestupu tepla a z plynov do steny kotla rovná:
α 1 \u003d α k + α l
kde α to a α l - koeficienty, prenos tepla konvekciou a sálaním.
Prevrátená hodnota súčiniteľa prestupu tepla sa nazýva tepelný odpor prestupu tepla. Pre tento prípad:
R \u003d 1 / K \u003d 1 / α 1 + δ 3 / λ 3 + δ st / λ st + δ n / λ n + 1 / α 2
Rôzne látky majú rôzne koeficienty tepelnej vodivosti.
Súčiniteľ tepelnej vodivosti K - množstvo tepla preneseného cez jednotku plochy vykurovacej plochy za jednotku času s teplotným rozdielom 1 stupeň a hrúbkou steny 1 m. Pri použití mimosystémových jednotiek (kcal za hodinu), rozmer súčiniteľa tepelnej vodivosti je kcal × m / (m 2 × h × stupeň), v sústave SI - W / (m × stupeň).
Koeficienty tepelnej vodivosti rôznych materiálov, ktoré sa najčastejšie nachádzajú vo vykurovacích a kotlových zariadeniach, sú uvedené nižšie, W / (m × stupeň).
Množstvo tepla Q preneseného cez stenu je určené vzorcom:
kde K - koeficient prestupu tepla, W / (mg × deg); ∆t je priemerný rozdiel teplôt medzi vykurovacím a ohrievaným médiom alebo priemerný logaritmický rozdiel teplôt v stupňoch; H je výhrevná plocha, m 2 .
Stredný logaritmický teplotný rozdiel ∆t je určený vzorcom:
∆t = ∆t - ∆t m /2,31 g (∆t 0 /∆t m)
kde ∆t g a ∆t m sú najväčšie a najmenšie teplotné rozdiely medzi vykurovacím a ohrievaným médiom.
Ryža. 8. Charakter zmeny teplôt pracovných kvapalín pri
a - dopredný tok; b - protiprúd.
Charakter zmeny teplôt pracovných kvapalín je znázornený na obr. 8. Ak ohrievaná a ohrievaná kvapalina prúdi vo výmenníku tepla rovnakým smerom, potom sa takýto vzor prúdenia nazýva dopredný prúd (pozri obr. 8, a) a v opačnom smere - protiprúd (pozri obr. 8, b ).
Pre jednotku plochy teplovýmennej plochy sa špecifický tok, označený q, bude rovnať:
Z vyššie uvedených vzorcov je zrejmé, že množstvo odovzdaného tepla je tým väčšie, čím väčšia je plocha vykurovacej plochy H a tým väčší je priemerný teplotný rozdiel alebo teplotný rozdiel a koeficient prestupu tepla K. Prítomnosť vodného kameňa, popola alebo sadzí na stena kotla výrazne znižuje súčiniteľ prestupu tepla (pozri príklad nižšie).
Určujúcim faktorom prenosu tepla sálaním je teplota vyžarujúceho telesa a stupeň jeho čiernosti. Preto, aby sa zintenzívnil prenos tepla sálaním, je potrebné zvýšiť teplotu sálavého telesa zvýšením drsnosti povrchu.
Prenos tepla konvekciou závisí od: rýchlosti pohybu plynov, teplotného rozdielu medzi vykurovacím a ohrievaným médiom, charakteru prúdenia plynov okolo vykurovacej plochy - pozdĺžne alebo priečne, typu povrchu - hladká alebo rebrovaná. Hlavné spôsoby zintenzívnenia prenosu tepla konvekciou sú: zvýšenie rýchlosti plynov, ich vírenie v plynovodoch, zväčšenie výhrevnej plochy vďaka jej rebrovaniu, zvýšenie teplotného rozdielu medzi ohrievaným a ohrievaným médiom a protiprúdové (protiprúdové) pranie. .
Príklad. Zvážte vplyv vodného kameňa a sadzí na prenos tepla v kotle pomocou údajov v tejto časti. Akceptujeme hrúbku steny časti liatinového kotla δ 1 \u003d 8 mm a vrstvu vodného kameňa nanesenú na nej s hrúbkou δ 2 \u003d 2 mm a vrstvu sadzí δ 3 \u003d 1 Gmm. Koeficienty tepelnej vodivosti steny λ 1, stupnice λ 2 a sadzí λ 3 sa považujú za rovné 54; 0,1 a 0,05 kcal / (m × h × stupeň) (√62,7; 0,116 a 0,058 W / (m 2 × K). Hodnoty koeficientov prestupu tepla: z plynov na stenu α 1 \u003d 20 kcal / ( m 2 × st.); od steny k vode α 2 = 1000 kcal / (m 2 × h × st.) Teplota plynov sa meria t plyn = 800 ° C, voda t = 95 C .
Vykonávame výpočty pre čisté a znečistené steny liatinového kotla.
A. Stena kotla je čistá.
Nájdite koeficient prestupu tepla:
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 / (m2 kcal / × h × stupeň) = 22,6 W / (m 2 × stupeň) a tepelný tok cez stenu.
q \u003d K∆t \u003d 19,5 (800-95) \u003d 13700 kcal / (m 2 × h) \u003d 15 850 W / (m 2).
Určme teplotu vonkajšieho povrchu steny liatinového profilu pomocou vzorca
q \u003d α 1 (t plynu - t st) -1 q \u003d α 1 t plynu - α 1 t st; α i t st = α 1 t plynu
t st \u003d t plyn - q / α 1 \u003d 800 - 13700/20 \u003d 115 ° С.
Z výpočtu je vidieť, že pri čistej stene kotla sa jeho teplota len málo líši od teploty vody vo vnútri kotla.
B. Stena kotla je znečistená.
Zopakovaním celého výpočtu zistíme:
K \u003d (l / α 1 + δ 1 / λ 1 + 5 2 / λ 2 + 5 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 × krupobitie) \u003d 12,7 W / (m 2 × krupobitie)
q \u003d 11 (800 - 95) \u003d 7750 kcal / (m 2 × h) \u003d 8960 W / (m 2), t st \u003d 800 - 7750/20 \u003d 412C.
Z výpočtu je zrejmé, že usadzovanie sadzí je nežiaduce, pretože pri nízkej tepelnej vodivosti sťažuje prenos tepla zo spalín na steny kotla. To vedie k nadmernej spotrebe paliva, zníženiu výroby pary alebo horúcej vody kotlami.
Vodný kameň s nízkou tepelnou vodivosťou výrazne znižuje prenos tepla zo steny kotla do vody, v dôsledku čoho sa steny veľmi prehrievajú av niektorých prípadoch; praskne, čo spôsobí poruchy kotla.
Porovnaním výsledkov výpočtu vidíme, že prestup tepla cez znečistenú stenu sa znížil takmer na polovicu, teplota steny liatinového profilu sa počas tvorby vodného kameňa zvýšila na nebezpečné limity v závislosti od pevnosti kovu, čo môže viesť k pretrhnutie sekcie. Tento príklad jasne ukazuje potrebu pravidelného čistenia kotla od vodného kameňa a sadzí či popola.
Inštrukcia
Tepelná vodivosť je prenos tepla z viac zahrievaných častí látky do menej zahrievaných častí, čo vedie k vyrovnaniu teploty látky. Molekuly látky s väčšou energiou ju prenášajú na molekuly s menšou energiou. Tepelná vodivosť sa vzťahuje na Fourierov zákon, čo je vzťah medzi teplotným gradientom v médiu a hustotou tepelného toku. Gradient je vektor ukazujúci smer, ktorým sa skalárne pole mení. Odchýlky od tohto zákona môžu nastať pri veľmi silných rázových vlnách (veľké hodnoty gradientu), pri veľmi nízkych teplotách a v riedkych plynoch, keď molekuly látky častejšie narážajú na steny nádoby ako do seba. V prípade riedených plynov sa proces prenosu tepla nepovažuje za prenos tepla, ale za prenos tepla medzi telesami v plynnom médiu.
Ide o prenos tepla v kvapalinách, plynoch alebo pevných látkach podľa kinetickej teórie. Podstatou kinetickej teórie je, že všetky telesá (materiál) pozostávajú z atómov a molekúl, ktoré sú v nepretržitom pohybe. Na základe tejto teórie je konvekcia prenos tepla medzi látkami na molekulárnej úrovni za predpokladu, že telesá sú pod vplyvom gravitácie a nerovnomerne zahrievané. Zahriata látka sa pôsobením gravitácie pohybuje relatívne k menej zahriatej látke v opačnom smere ako gravitácia. Teplejšie látky stúpajú a chladnejšie klesajú. Oslabenie účinku konvekcie je pozorované v prípadoch vysokej tepelnej vodivosti a viskózneho média a tiež stupeň jeho ionizácie a magnetické pole silne ovplyvňujú konvekciu v ionizovaných plynoch.
Tepelné žiarenie. Látka v dôsledku vnútornej energie vytvára elektromagnetické žiarenie so spojitým spektrom, ktoré sa môže medzi látkami prenášať. Poloha maxima jeho spektra závisí od toho, ako horúca látka je. Čím vyššia je teplota, tým viac energie látka uvoľňuje, a preto môže byť prenášané viac tepla.
K prenosu tepla môže dôjsť cez tenkú priečku alebo stenu medzi telesami, z teplejšej látky na menej teplú. Viac zohriata látka odovzdá časť tepla stene, po ktorej nastáva v stene proces prestupu tepla a teplo sa zo steny odovzdá menej zohriatej látke. Intenzita preneseného množstva tepla priamo závisí od koeficientu prestupu tepla, ktorý je definovaný ako množstvo tepla preneseného cez jednotkovú plochu priečky za jednotku času pri teplotnom rozdiele látok 1 Kelvin.
