Общая характеристика процессов тепло- и массообмена

Из физики известно, что теплота передается самопроизвольно от одного тела к другому при наличии разности температур. Такой процесс называют теплообменом.

Теплообмен представляет собой сложный процесс, который можно расчленить на ряд простых процессов. Различают три элементарных принципиально отличных один от другого процесса теплообмена – теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Процесс теплопроводности происходит при непосредственном соприкосновении (соударении) частиц вещества (молекул, атомов и свободных электронов), сопровождающемся обменом энергии и их теплового движения.

В соответствии с законом Фурье плотность теплового потока , Вт/м², передаваемого, например, через плоскую однослойную стенку равен

(5.1)

где - толщина стенки, м;

- коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м∙К);

- температура горячей и холодной сторон стенки соответственно, °С.

Процесс конвекции происходит лишь в жидкостях и газах и представляет собой перенос теплоты в результате перемещения и перемешивания частиц жидкости или газа. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью.

Единство процессов переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью в изотермическом потоке жидкости или газа называют конвективным теплообменом. На практике чаще всего интересуются конвективным теплообменом между жидкостью (газами) и стенкой канала, в котором она течет. Конвективный теплообмен между стенкой и жидкостью (на стенке) называют теплоотдачей. Количественно интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи Вт/(м²∙К), определение которого дает закон Ньютона - Рихмана:

(5.2)

где - плотность теплового потока на поверхности, Вт/м²;

или - температурный напор между стенкой и жидкостью,°С;

- тепловой поток на стенке, Вт;

- площадь поверхности теплоотдачи, м².

Процесс теплового излучения состоит в переносе теплоты от одного тела к другому электромагнитными волнами, возникающими в результате сложных молекулярных и атомных возмущений. Лучистая энергия возникает в телах за счет других видов энергии, главным образом тепловой. В технике теплообмен излучением имеет место в котлах, в системах отопления зданий, в сушильных агрегатах и т.п. При высоких температурах теплообмен излучением преобладает над остальными видами теплообмена и имеет в связи с этим важное значение.

Теплопередача. В теплотехническом оборудовании систем теплогазоснабжения и вентиляции, а также в наружных конструкциях зданий основным рабочим процессом является теплообмен между теплоносителями (греющей и нагреваемой средами) через разделяющую их стенку. Такой теплообмен называется теплопередачей.

Количественно интенсивность теплопередачи описывается уравнением:

(5.3)

где - тепловой поток, передаваемый через стенку, Вт;

- площадь поверхности теплопередачи, м²;

и - температуры греющей и нагреваемой жидкости или газа соответственно, °С.

Величину , Вт/(м²∙К) называют коэффициентом теплопередачи.

Например, для плоской стенки он равен:

(5.4)

где и - коэффициенты теплоотдачи от греющей среды к стенке и от менее нагретой стороны стенки к нагреваемой среде соответственно, Вт/(м²∙К);

- толщина стенки, ;

- коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м∙К).

Величину (м²∙К)/Вт, обратную коэффициенту теплопередачи, называют сопротивлением теплопередачи.

(5.5)