Элементарные способы переноса теплоты

Основные понятия и определения

Легкоподвижная среда (жидкость или газ), используемая для переноса теплоты, называется теплоносителем.

Поверхность теплообмена F – это поверхность, через которую происходит передача теплоты.

Тепловой поток, Q, [Вт] – это количество теплоты, передаваемое через поверхность теплообмена F в единицу времени.

 

Температурным полем называется совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства в данный момент времени.

где t – температура;

x, y, z – пространственные координаты;

t – время.

 

Поверхность, во всех точках которой температура одинакова, называется изотермической.

Градиент температурного поля (grad t) – есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону наибольшего возрастания температуры и численно равный производной от температуры по этому направлению.

 

град/м

Элементарные способы переноса теплоты

Существует три основных способа переноса теплоты, отличающихся по своим физическим механизмам:

- теплопроводность,

- конвекция,

- излучение.

Теплопроводность – способ переноса теплоты между непосредственно соприкасающимися частями тела, обусловленный тепловым движением и энергетическим взаимодействием структурных частиц вещества (молекул, ионов, атомов, электронов). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур.

Конвективный теплоперенос (конвекция) наблюдается лишь в жидкостях и газах. Конвекция – это перенос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества. В этом случае большие макроскопические объемы горячей жидкости или газа перемещаются в зоны с низкими температурами, а холодные массы попадают в зону с высокими температурами, т.е. происходит перемешивание. Конвективный теплоперенос происходит из-за разности плотностей горячих и холодных масс.

Следует иметь в виду, что одновременно с конвекцией всегда существует и теплопроводность. Однако конвекция обычно является определяющей, т.к. она интенсивнее теплопроводности.

Конвекцией можно передавать теплоту на очень большие расстояния (например, при движении газа по трубам).

Третьим способом переноса теплоты является излучение. За счет излучения теплота передается во всех лучепрозрачных средах, в том числе и в вакууме. Носителями энергии при теплообмене излучением являются фотоны, излучаемые и поглощаемые телами, участвующими в теплообмене.

В действительных условиях работы различных теплообменных устройств теплота передается одновременно теплопроводностью, конвекцией и излучением. Такое явление называется сложным теплообменом (совокупность всех трех видов переноса теплоты).

Виды сложного теплообмена

Теплоотдача – это процесс теплообмена между жидкостью (газом) и омываемой ею поверхностью стенки.

Таким образом, теплоотдача – это конвекция + теплопроводность, или конвективный теплообмен (КТО).

Теплопередача – это процесс переноса теплоты от одной жидкости к другой через разделяющую их стенку.

Лучисто-конвективный теплообмен – это теплоотдача + тепловое излучение.