Interested Article - Теплопередача

Теплопередача физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему, либо непосредственно (при контакте), либо через посредника (проводника) или разделяющую перегородку (тела или среды) из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре , то происходит передача тепловой энергии , или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия . Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к менее горячему, что является следствием второго закона термодинамики , и этот процесс является необратимым.

Виды теплопередачи

Всего существует три простых (элементарных) механизма передачи тепла:

Существуют также различные виды переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них:

  • теплоотдача (конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела),
  • теплопередача (теплообмен от горячей среды [жидкость, газ или твёрдое тело] к холодной через разделяющую их стенку),
  • конвективно-лучистый перенос тепла (совместный перенос тепла излучением и конвекцией),
  • .

Внутренние источники теплоты — понятие теории теплопередачи, которое описывает процесс производства (реже поглощения) тепловой энергии внутри материальных тел без какого-либо подвода или переноса тепловой энергии извне. К внутренним источникам теплоты относятся:

  • тепловыделение при работе электрического тока ,
  • тепловыделение при ядерных реакциях,
  • тепловыделение при химических реакциях.


Моделирование конвекции в мантии Земли . Цвета варьируются от красного и зелёного для высокой температуры до синего для низкой температуры. Горячий, и менее плотный нижний пограничный слой поставляет горячее вещество вверх в виде струй, а холодное вещество движется вниз.

Адвекция

Адвекция происходит путём передачи вещества и энергии, включая тепловую, перемещая посредством физического переноса горячего или холодного объёма из одного места в другое. В качестве примеров можно указать заполнение бутылки горячей водой и передвижение айсберга посредством океанских течений. Практический пример — теплогидравлика, которую можно описать простой формулой:

ϕ q = v ρ c p Δ T {\displaystyle \phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T}

где

  • ϕ q {\displaystyle \phi _{q}} тепловой поток (Вт/м 2 ),
  • ρ {\displaystyle \rho } плотность вещества (кг/м 3 ),
  • c p {\displaystyle c_{p}} — теплоёмкость при постоянном давлении (Дж/кг·К),
  • Δ T {\displaystyle \Delta T} — разница температур (К),
  • v {\displaystyle v} скорость (м/с).

Теплопроводность

В микроскопическом масштабе теплопроводность происходит, когда горячие, быстро движущиеся или колеблющиеся атомы и молекулы взаимодействуют с соседними атомами и молекулами, передавая часть своей кинетической энергии этим частицам. Другими словами, тепло передаётся за счёт теплопроводности, когда соседние атомы движутся друг относительно друга или когда электроны перемещаются от одного атома к другому. Теплопроводность представляется наиболее важным средством передачи тепла внутри твёрдого тела или между твёрдыми объектами, находящимися в тепловом контакте . Жидкости, особенно газы, обладают меньшей теплопроводностью. — это исследование теплопроводности между соприкасающимися твердыми телами. Процесс передачи тепла из одного объёма в другой без макроскопического движения частиц называется теплопроводностью. Например, когда вы кладете руку на холодный стакан с водой — тепло передается от теплой кожи к холодному стеклу, но если рука находится на расстоянии нескольких сантиметров от стекла, то теплопроводность будет незначительной, поскольку воздух плохо проводит тепло. Стационарная теплопроводность — это идеализированная модель теплопроводности, которая возникает при постоянной разности температур, то есть когда возникающая через некоторое время пространственное распределение температур в теплопроводящем объекте не изменяется (см Закон Фурье ). В установившемся режиме теплопроводности количество тепла, поступающего в тело, равно количеству выходящего тепла, поскольку, в этом режиме, изменение температуры (мера тепловой энергии) равно нулю. Примером стационарной теплопроводности является поток тепла через стены теплого дома в холодный день — внутри дома поддерживается высокая температура, а снаружи температура остаётся низкой, поэтому передача тепла в единицу времени остается постоянной, определяемой теплоизоляцией стены, а пространственное распределение температуры в стенах будет примерно постоянным во времени.

Нестационарная теплопроводность описывается уравнением теплопроводности и возникает, когда температура внутри объекта изменяется как функция времени. Анализ нестационарных систем более сложен, и аналитические решения уравнения теплопроводности получены только для идеализированных модельных систем. В практических приложениях обычно используются численных методы, методы аппроксимации или эмпирические исследования.

Конвекция

Конвективная теплопередача, или просто конвекция , — это процесс передачи тепла от одного объёма к другому за счёт движения жидкостей и газов, процесс, который по сути является передачей тепла посредством массообмена .

Движение массы жидкости улучшает теплопередачу во многих физических ситуациях, таких как теплообмен между твёрдой поверхностью и жидкостью.

Конвекция обычно доминирует в процессе теплопередачи в жидкостях и газах. Хотя иногда её называют третьим методом теплопередачи, конвекция обычно используется для описания комбинированных эффектов теплопроводности внутри текучей среды ( диффузия ) и теплопередачи за счёт объёмного потока текучей среды.

Процесс переноса тепла с потоком жидкости известен как адвекция, но чистая адвекция — это термин, который обычно ассоциируется только с переносом массы в жидкости, например адвекцией гальки в реке. В случае теплопередачи в жидкости, перенос посредством адвекции в жидкости всегда сопровождается переносом тепла посредством диффузии (также известной как теплопроводность), процесс конвекции понимается как сумма переноса тепла посредством адвекции и диффузии/теплопроводности.

Свободная или естественная конвекция возникает, когда объёмные движения жидкости (потоки и течения) вызываются силами плавучести, которые возникают в результате изменения плотности зависящей от температуры жидкости. Вынужденная конвекция возникает, когда потоки в жидкости индуцируются внешними средствами, такими как вентиляторы, мешалки и насосы.

Тепловое излучение

Раскалённый железный предмет, передающий тепло в окружающую среду посредством теплового излучения

Тепловое излучение передаётся через вакуум или любую прозрачную среду ( твёрдую, жидкую или газообразную). Такая передача энергии с помощью фотонов электромагнитных волн, подчиняющаяся тем же законам.

Тепловое излучение — это энергия, излучаемая веществом в виде электромагнитных волн из-за наличия тепловой энергии во всем веществе при температуре выше абсолютного нуля . Тепловое излучение распространяется без материи в вакууме .

Тепловое излучение существует благодаря беспорядочным движениям атомов и молекул в веществе. Поскольку эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц ( протонов и электронов ), их движение приводит к испусканию электромагнитного излучения , которое уносит энергию от поверхности.

Уравнение Стефана — Больцмана , которое описывает скорость передачи лучистой энергии, для объекта в вакууме записывается следующим образом:

ϕ q = ϵ σ T 4 . {\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.}

Для переноса излучения между двумя телами уравнение выглядит следующим образом:

ϕ q = ϵ σ F ( T a 4 T b 4 ) , {\displaystyle \phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),}

где

  • ϕ q {\displaystyle \phi _{q}} тепловой поток,
  • ϵ {\displaystyle \epsilon } — коэффициент излучения (равен единице для абсолютно чёрного тела ),
  • σ {\displaystyle \sigma } постоянная Стефана — Больцмана ,
  • F {\displaystyle F} коэффициент видимости между двумя поверхностями a и b, и
  • T a {\displaystyle T_{a}} и T b {\displaystyle T_{b}} — абсолютные температуры (в кельвинах или градусах Ренкина) для двух объектов.

Излучение обычно важно только для очень горячих объектов или для объектов с большой разницей температур или для тел в вакууме.

Излучение солнца или солнечное излучение можно использовать для получения тепла и энергии. В отличие от теплопроводности и конвективных форм теплопередачи, тепловое излучение, приходит в узком углу, то есть исходящее от источника, намного меньшего, чем расстояние до него, и может быть сконцентрировано в небольшом пятне с помощью отражающих зеркал, которые используются для концентрации солнечной энергии , или выжигательной линзой. Например, солнечный свет, отражённый от зеркал, используется в солнечной электростанции PS10, которая днём может нагреть воду до 285 °C (545 °F) .

Достижимая температура на цели ограничена температурой горячего источника излучения. ( Закон T 4 позволяет обратному потоку излучения нагревать источник). Горячее солнце (на своей поверхности имеет температуру примерно 4000 К) позволяет достичь примерно 3000 К (или 3000 ° C) на маленьком зонде в фокусе большого вогнутого концентрирующего зеркала в солнечной печи Мон-Луи во Франции.

Коэффициент теплопередачи

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через 1 м 2 теплообменной поверхности при разности температур между теплоносителями 1 К . Обычно выражается в Вт /(м 2 ·К), в справочниках также может приводиться величина потока за один час. В строительстве получила распространение обратная величина — «коэффициент термического сопротивления».

Основное уравнение теплопередачи

Основное уравнение теплопередачи: количество теплоты, переданное от более нагретого тела к менее нагретому, пропорционально поверхности теплообмена, среднему температурному напору и времени:

Q = K F Δ t ср τ , {\displaystyle Q'=K\cdot F\cdot \Delta t_{\text{ср}}\cdot \tau ,}

где

K — коэффициент теплопередачи вдоль поверхности теплообмена,
F — поверхность теплообмена,
Δ t ср среднелогарифмический температурный напор (средняя разность температур между теплоносителями),
τ — время.

Примечания

  1. (неопр.) . Thermal-FluidsPedia . Thermal Fluids Central. Дата обращения: 9 марта 2021. 12 апреля 2021 года.
  2. Abbott, J.M. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics / J.M. Abbott, H.C. Smith, M.M. Van Ness. — 7th. — Boston, Montreal : McGraw-Hill, 2005. — ISBN 0-07-310445-0 .
  3. (неопр.) . Thermal-FluidsPedia . Thermal Fluids Central. Дата обращения: 9 марта 2021. 12 апреля 2021 года.
  4. Çengel, Yunus. . — 2nd. — Boston : McGraw-Hill, 2003. — ISBN 978-0-07-245893-0 . от 26 мая 2021 на Wayback Machine
  5. (неопр.) . Thermal-FluidsPedia . Thermal Fluids Central. Дата обращения: 9 марта 2021. 31 октября 2018 года.
  6. (неопр.) . Engineers Edge. Дата обращения: 20 апреля 2009. 18 ноября 2018 года.
  7. . — Prentice Hall, 2003. — ISBN 0-13-101367-X .
  8. (неопр.) . Thermal-FluidsPedia . Thermal Fluids Central. Дата обращения: 9 марта 2021. 14 марта 2021 года.
  9. Thermal Radiation Heat Transfer. — Taylor and Francis.
  10. Mojiri, A (2013). "Spectral beam splitting for efficient conversion of solar energy—A review". Renewable and Sustainable Energy Reviews . 28 : 654—663. doi : .
  11. Taylor, Robert A. (March 2011). . Journal of Renewable and Sustainable Energy . 3 (2): 023104. doi : . из оригинала 19 апреля 2021 . Дата обращения: 9 марта 2021 .
  12. Megan Crouse: от 25 июля 2019 на Wayback Machine manufacturing.net, 28 July 2016, retrieved 14 April 2019.

Литература

  1. Григорьев Б. А., Цветков Ф. Ф. Тепломассообмен: Учеб. пособие — 2-е изд. — М: МЭИ, 2005.
  2. Исаченко В. П. и др. Теплопередача: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1975.
  3. Галин Н. М., Кириллов П. Л. Тепломассообмен. — М.:Энергоатомиздат, 1987.
  4. Карташов Э. М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел. — М.: Высш. шк., 1989.
  5. Крупнов Б. А., Шарафадинов Н. С. Руководство по проектированию систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. 2008
  6. Котляр Я. М., Совершенный В. Д., Стриженов Д. С. Методы и задачи тепломассообмена. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.
  7. Лыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория переноса энергии и вещества. — Минск, АН БССР, 1959. — 330 с.

Same as Теплопередача