Теплообмен - это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой .
Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.
Теплообмен может осуществляться тремя способами:

1. теплопроводностью
2. конвекцией
3. излучением

Теплопроводность

Теплопроводность - явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы - она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец , но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.
При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью .
Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность .
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь .
Теплопроводность у различных веществ различна.
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность - это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.

Конвекция

Конвекция - это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
Пример явления конвекции : небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Различают два вида конвекции:

• естественная (или свободная)

• вынужденная

Излучение

Излучение - электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.
Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана - Больцмана.
Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме .
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.

Определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже). Теплота играет важную роль в жизни человека, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37 градусов Цельсия. Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры окружающей среды, и люди вынуждены расходовать много энергии на обогрев жилых и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть этой энергии поставляют тепловые машины, например котельные установки и паровые турбины электростанций, работающих на ископаемом топливе (угле, нефти) и вырабатывающих электроэнергию.

До конца 18 в. теплоту считали материальной субстанцией , полагая, что температура тела определяется количеством содержащейся в нем «калорической жидкости», или «теплорода». Позднее Б.Румфорд, Дж.Джоуль и другие физики того времени путем остроумных опытов и рассуждений опровергли «калорическую» теорию, доказав, что теплота невесома и ее можно получать в любых количествах просто за счет механического движения. Теплота сама по себе не является веществом - это всего лишь энергия движения его атомов или молекул. Именно такого понимания теплоты придерживается современная физика.

Теплопередача - это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).

где, как и ранее, q - тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт), A - площадь поверхности излучающего тела (в м 2), а T 1 и T 2 - температуры (в кельвинах) излучающего тела иокружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называетсяпостоянной Стефана - Больцмана и равен (5,66961 х 0,00096)х10 -8 Вт/(м 2 DК 4).

Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального излучателя - так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных «серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана - Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать 0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05. Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка для зеркального.

Жилые и офисные помещения часто обогревают небольшими электрическими теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей - это видимое тепловое излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра. Помещение же обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть излучения. В приборах ночного видения применяются источник теплового излучения и приемник, чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в темноте.

Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце ; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год за годом станциями, расположенными во многих точках земного шара, составляет примерно 1,37 Вт/м 2 . Солнечная энергия - источник жизни на Земле. Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для бытовых нужд.

Виды передачи теплоты

Теория теплообмена изучает закономерности распространения и пе-реноса тепловой энергии. Обмен энергией в форме теплоты происходит при наличии разности температур между отдельными телами или частями одного и того же тела и продолжается до тех пор, пока температура обоих тел не сравняется. Поскольку температура является мерой внутренней энергии, следовательно, при теплообмене происходит увеличение внут-ренней энергии одного (холодного) тела за счет ее уменьшения у другого тела (горячего).

Процесс теплообмена является естественным и необратимым, т. е. он всегда протекает в одном направлении: от горячего тела к холодному.

Существует три способа переноса теплоты: теплопроводность, кон-векция и излучение.

Теплопроводность -процесс распространения теплоты в твердыхтелах и жидкостях, находящихся в состоянии покоя. В диэлектриках (в ма-териалах, непроводящих электричество) тепловая энергия передается ко-лебаниями кристаллической решетки, а в металлах - главным образом за счет движения свободных электронов в решетке. Теплопроводность в чис-том виде наблюдается только в твердых телах.

Конвекция -перенос теплоты при перемещении отдельных масс иобъемов жидких и газообразных тел.

Обычно происходит одновременно конвекция и теплопроводность. Такой процесс называется конвективным теплообменом . Перенос теплоты от одного тела к другому при конвекции и теплопроводности осуществля-ется только при их соприкосновении.

Излучение -теплообмен между телами на расстоянии в форме лу-чистой энергии. Носителями лучистой энергии являются электромагнит-ные волны (фотоны). При излучении тепловая энергия нагретого тела пе-реходит в лучистую, распространяется в окружающем пространстве, пада-ет на другое тело и вновь переходит в тепловую энергию.

Решение задач теплообмена всегда имеет конкретный характер, одно-значно определяемый условиями протекания процессов.

Эти условия включают:

– геометрические особенности поверхностей тел и окружающего их пространства (формы, размеры);

– особенности протекания процесса во времени;

– граничные особенности процесса теплообмена, т. е. значение и рас-пределение физических величин на границах раздела тел, участвующих в теплообмене;

– физические и химические свойства и параметры среды, в которой осуществляется перенос теплоты.

Не всегда, однако, эти условия однозначности позволяют получить аналитическое решение задач теории теплообмена. Поэтому для изучения процессов теплообмена исключительное значение имеют физические экс-перименты и обобщение их результатов.

Теплопроводность

Особенности явлений теплопроводности связаны с распределением температуры в телах. В общем случае температура тел может изменяться во всех точках пространства с течением времени. Совокупность мгновен-ных значений температуры во всех точках изучаемого пространства носит название температурного поля .

Температурное поле является однородным , если во всех точках про-странства температура одинакова, и неоднородным , если она различна. Поверхности, на которых расположены точки с одинаковой температурой, называются изотермическими , а сечение этих поверхностей - изотерма-ми (рис. 3.1).Вдоль изотермических поверхностей теплота не распростра-няется. Наиболее быстрое изменение температуры происходит в направле-нии по нормали к изотермическим поверхностям.

Рис. 3.1. Температурное поле

Предел отношения разности температур двух изотерм к расстоянию между ними по нормали, когда n стремится к нулю, называется градиен-

том температур и обозначаетсяgrad t .

Градиент - мера наибольшей интенсивности изменения температу-ры; он является векторной величиной. Положительным считается направ-ление, в котором температура возрастает. Количественно интенсивность теплообмена характеризуется плотностью теплового потока , то есть ко-личеством теплоты, проходящей через единицу поверхности в единицу времени. Согласно закону Фурье - основному закону теплопроводно-сти - плотность теплового потока, Вт/м 2 , определяется по формуле

где Q - количество теплоты, Дж; F - площадь, м 2 ; τ - время, ч.

Закон Фурье утверждает, что плотность теплового потока пропорцио-нальна градиенту температур

где λ - коэффициент теплопроводности, характеризующий интенсивность распространения теплоты, т. е. количество теплоты, проходящее вследст-вие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теп-лообмена при падении температуры на 1 градус на единицу длины норма-ли к изотермической поверхности, Вт/м К.

Знак «минус» в правой части указывает на противоположность на-правлений теплового потока и изменения температуры в теле. Коэффици-ент теплопроводности зависит от химического состава тел, их структуры, плотности, влажности, давления, температуры и составляет величину по-рядка от 0,01 до 400 Вт/(м·К).

Тела, имеющие λ <0,2 Вт/(м·К), называются теплоизоляторами . Хо-рошими проводниками теплоты являются тела, имеющие λ >20 Вт/(м·К).

Наименьшие значения коэффициента теплопроводности имеют газы (от 0,01 до 1 Вт/(м·К)), наибольшие - металлы (серебро - 410, медь -

360, алюминий - 200-300, сталь - 45-55 Вт/(м·К)).

Уравнение теплопроводности Фурье представляет собой математиче-ское описание процесса изменения температуры во времени в любом месте тела, вызываемого результирующим переносом теплоты.

Уравнения теплопроводности обычно аналитически решают для кон-кретных условий протекания процесса с привлечением известных условий однозначности.

На практике приходится встречаться с различными задачами тепло-проводности, которые условно делятся на три группы:

1) стационарная теплопроводность, когда распределение температур в теле сохраняется неизменным во времени и соответственно плотность теп-лового потока постоянна. Процессы теплообмена в нагревательных уст-ройствах и аппаратах, ограждающих конструкциях строительных соору-жений при длительных неизменных температурах наружной и внутренней среды могут рассматриваться не зависящими от времени;

2) нестационарная теплопроводность, когда происходит изменение температурного поля во времени. Нестационарная теплопроводность на-блюдается, например, при нагревании и охлаждении тел, когда до начала теплового воздействия во всей массе тела была одинаковая температура;

3) температурные волны в телах, подвергаемых периодическому теп-ловому воздействию. Например, годовые колебания температуры в по-верхностном слое земли, суточные колебания температуры наружного воз-духа и под их воздействием температуры поверхностей ограждающих кон-струкций.

Ниже дано частное решение уравнения Фурье для двух задач стацио-нарной теплопроводности.

1. Одномерное распределение теплоты в плоской стенке (рис. 3.2). Тепловой поток в плоской стенке равен

ностях F 1 и F 2 , °С.

Для многослойной стенки с толщинами слоев δ i и коэффициентами теплопроводности λ i уравнение теплового потока обобщается следующим образом:

где α - коэффициент конвективной теплоотдачи, характеризующий ин-тенсивность теплообмена конвекцией, Вт/(м 2 ·К); t ж - температура жидко-сти вдали от стенки, °С; t ст - температура поверхности стенки, °С; F -тепловоспринимающая поверхность тела,м 2 .

Одной из главных задач теории конвективного теплообмена является определение значения коэффициента теплоотдачи для конкретных условий протекания процесса.

На величину α оказывает влияние множество факторов, основными из которых являются характер конвекции, режим движения, физические свойства жидкости, геометрические особенности поверхности тел, участ-вующих в теплообмене.

Конвекция называется свободной , если она возникает за счет разности давлений (плотности), обусловленной неоднородностью температурного поля жидкости. Явление свободной конвекции можно наблюдать над по-верхностью нагретых тел, когда находящиеся вблизи этих поверхностей частицы воздуха, нагреваясь, поднимаются вверх, а на их место устремля-ются холодные массы воздуха (рис. 3.4).

Свободная конвекция возникает естественно во всяком объеме, где имеются тела с различной температурой, и протекает тем интенсивнее, чем выше разность температур.

Рис. 3.4. Свободная конвекция: а – вертикальная нагре-тая стенка; б – горизонтальная плита; в – горизонталь-ная плита, нагреваемая снизу

Вынужденной конвекцией называется теплообмен при движении жид-кости под действием внешних сил, например, создаваемых насосом, вен-тилятором, компрессором. Интенсивность теплообмена при этом тем вы-ше, чем больше скорость течения жидкости, омывающей поверхности тел.

Причина повышения интенсивности теплообмена при увеличении скорости течения заключается в изменении режима движения жидкости, переходе ламинарного движения в турбулентное (см. рис. 3.1).

В ламинарном потоке тепловая энергия переносится тепло-проводностью и поперечной диффузией масс. Интенсивность такого переноса энергии зависит от свойств среды, и тем меньше, чем больше толщи-на потока. В турбулентном потоке энергия переносится от жидкости к стенке перемешивающимися массами и лишь в пограничном слое - теп-лопроводностью. Поэтому интенсивность теплоотдачи в турбулентном по-токе выше, чем в ламинарном.

Ламинарное и турбулентное течения жидкости могут наблюдаться как при вынужденном, так и при свободном движении. Однако в последнем случае эти режимы создаются исключительно условиями теплового воз-действия, тогда как при вынужденном движении используются искусст-венные способы воздействия на течение жидкости.

Интенсивность конвективной теплоотдачи зависит также от физиче-ских свойств жидкости, характеризуемых значением коэффициентов теп-лопроводности и температуропроводности, теплоемкости, коэффициентов объемного расширения и кинематической вязкости.

Геометрические условия конвективного теплообмена определяются формой тела, его размерами, характером поверхности, обтекаемой жидко-стью.

По геометрическим условиям различают теплообмен при внутреннем течении жидкости в трубах, каналах (внутренняя задача) и внешнем омы-вании поверхностей потоком (внешняя задача). При внешнем обтекании поток может быть продольным по отношению к наибольшему размеру по-верхности или поперечным (например, при обтекании пучка труб, располо-женных перпендикулярно направлению потока).

Во всех случаях геометрические условия оказывают существенное влияние на распределение скоростей и температур в потоке, на режим движения, изменяя интенсивность теплообмена. Для учета этих факторов необходимо задаваться характерными размерами и формой тела.

Значения коэффициентов теплоотдачи в различных задачах конвек-тивного теплообмена определяют путем решения критериальных уравне-ний, при помощи которых обобщаются данные экспериментальных иссле-дований, так, например, для свободной конвекции используется уравнение вида

где Nu l -критерий Нуссельта; α -коэффициент конвективной теп-

Грасгофа; g - ускорение силы тяжести, м/с 2 ; β - коэффициент объемного

Рейнольдса; С , n , m - опытные коэффициенты, - скорость жидкости, м/с.

Основы теплопередачи

К атегория:

Передвижные электростанции

Основы теплопередачи

Теплопередачей или теплообменом называется процесс переачи тепловой энергии (теплоты) как внутри тела от более нагретых его частиц к менее нагретым, так и от одних тел к другим. Теплопередача играет большую роль в работе теплосиловых установок и их агрегатов, паровых котлов и машин, двигателей внутреннего сгорания, радиаторов и др.

Теплообмен представляет собой сложный процесс и может осуществляться теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводностью называется передача тепловой энергии от одних соприкасающихся частиц или тел к другим. Этим способом теплота передается главным образом в твердых телах, но может передаваться в жидкостях и газах.

Молекулы, обладающие большой кинетической энергией, при столкновении с молекулами, имеющими меньшую кинетическую энергию, передают последним часть своей тепловой энергии.

В металлах теплота передается колебаниями мельчайших частиц, а в жидкостях и газах - перемешиванием.

Если нагревать воду или газ (в закрытом сосуде сверху), то теплота верхних слоев воды или газа будет передаваться холодным нижним слоям только в результате теплопроводности.

Конвекцией называется передача теплоты путем перемешивания между собой частиц газа или жидкости и перемещения их из области одних температур в область других температур. Передача теплоты совместным действием теплопроводности и конвекции называется конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен возможен между металлической стенкой и газом или жидкостью, омывающими эту стенку. Частицы газа или жидкости, соприкасающиеся с горячей стенкой, нагреваются в результате теплопроводности; вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы перемещаются вверх и переносят с собой некоторое количество теплоты. Такая передача теплоты называется естественной или свободной конвекцией.

При вынужденном перемещении частиц жидкости или газа (с помощью насоса или вентилятора) интенсивность теплообмена значительно увеличивается; такая теплопередача называется принудительной конвекцией.

Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, которая в неподвижном теплоносителе невелика, так как газы и жидкости -плохие проводники теплоты.

Примером конвективного теплообмена может служить нагревание воды в паровом котле: передача теплоты от нагретой стенки котла к воде осуществляется главным образом естественной конвекцией и лишь в незначительной части - теплопроводностью.

Тепловым излучением или лучеиспусканием называется передача тепловой энергии от одного тела к другому электромагнитными волнами. Часть тепловой энергии каждого-тела превращается в лучистую энергию, которая в виде электромагнитных волн распространяется во ‘все стороны. Встречая на> своем пути другие тела, лучистая энергия частично поглощается ими, превращаясь снова в тепловую энергию (теплоту).

В практических условиях теплообмен осуществляется не одним каким-либо способом, а одновременно всеми. Такой теплообмен принято называть сложным.

Теплопроводность. Рассмотрим часто встречающуюся на практике передачу теплоты теплопроводностью через плоскую стенку. Процесс передачи теплоты будем считать стационарным, т.е. температура в различных точках стенки с течением времени не изменяется.

Следовательно, коэффициент теплопроводности представляет собой количество теплоты, передаваемое через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при разности температур 1 °С в течение 1 ч.

Коэффициент теплопроводности зависит от структуры, удельного веса, влажности и температуры вещества. При расчетах значения коэффициентов теплопроводности берут из справочников.

Рис. 1. Схема передачи теплоты через однослойную, стенку

Конвекция. Рассмотрим теплообмен конвекцией между жидкостью и стенкой.

Коэффициент теплоотдачи а может быть определен только опытным путем. Так как коэффициент теплоотдачи зависит от значительного количества факторов, для его определения требуется проведение большого числа опытов.

Для сокращения количества опытов разработана так называемая «теория подобия». Теория подобия дает возможность проводить опыты не на самих аппаратах, для которых нужно определить коэффициент теплоотдачи, а «а уменьшенных и упрощенных моделях, что требует меньших затрат и может быть выполнено в более короткие сроки.

Тепловое излучение. Передача теплоты излучением не требует непосредственного соприкосновения тел и может происходить при значительном расстоянии между ними.

Каждое тело непрерывно излучает и поглощает лучистую энергию. Лучистая энергия является результатом сложных молекулярных и внутримолекулярных процессов, порождаемых энергией других видов. Источником теплового излучения является тепловая энергия. Количество возникающей лучистой энергии зависит от физических свойств и температуры излучающего тела.

Излучение тел представляет собой электромагнитные колебания с длиной волны от долей микрона до десятков километров: космические, рентгеновы, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные и другие лучи. Свойства этих лучей различны; для теплотехники представляют интерес такие лучи, которые поглощаются телами и энергия которых снова превращается в тепловую. Такими свойствами обладают световые и инфракрасные лучи, длины волн которых колеблются от 0,4 до 40 мкм.

Попадая на какое-либо тело, лучистая энергия частично поглощается им, частично отражается от него и частично проходит сквозь тело. Тело, полностью поглощающее попадающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным, полностью отражающее - абсолютно белым. Тела, которые полностью пропускают через себя лучистую энергию, называются прозрачными (или диатермичными).

Абсолютно черных и абсолютно белых тел в природе не существует. Поэтому обычно принято называть тела серыми. К абсолютно черным телам близки бархат, черное сукно и сажа, которые поглощают до 95-98% теплового излучения. К абсолютно белым телам близки полированные медь и алюминий, которые поглощают только 2-4% теплового излучения. Приме-

В теплотехнике, как было указано выше, часто происходит сложный теплообмен: например, между продуктами сгорания топлива и стенкой (топка парового котла, камера сгорания и цилиндр дизеля). При этом теплообмен осуществляется конвекцией и излучением.

Теплообмен излучением наиболее интенсивно происходит при температурах выше 600 °С; при меньших температурах теплота передается в основном конвекцией и теплопроводностью.

Многоатомные газы также способны излучать и поглощать лучистую энергию. В продуктах сгорания топлива содержатся трехатомные газы СОг и НгО, а также двухатомные N2, Ог и СО.

Газы излучают и поглощают лучистую энергию в определенных интервалах длин волн.

Закономерности излучения различных газов различны. Однако для упрощения практических расчетов количество энергии, излучаемой газом, принято определять по закону Стефана-Больц-мана. Степень черноты газов берется из таблиц или графиков.

В теплотехнике наиболее часто передача тепла от одной среды (греющей) к другой (нагреваемой) осуществляется через однослойную или многослойную стенку. Такой общий процесс передачи тепла может быть расчленен на несколько простейших процессов.

Рассмотрим процесс передачи тепла от греющей среды к нагреваемой через плоскую трехслойную стенку (рис. 2). Будем считать, что тепловой поток направлен слева направо, температура греющей среды (жидкости или газа) tu а температура нагреваемой среды (жидкости или газа) t2.

От греющей среды к поверхности первого слоя стенки теплота передается только конвекцией или конвекцией и излучением, через трехслойную стенку - теплопроводностью и, наконец, от третьего слоя стенки к нагреваемой среде- конвекцией. На всех указанных этапах передачи теплоты от греющей среды к нагреваемой тепловой поток будет одинаковым.

Коэффициент теплопередачи выражает собой количество теплоты, которое передается от греющей среды к нагреваемой череа стенку площадью 1 м2 при разности температур 1°С в течение 1 ч. Значение коэффициента теплопередачи для трехслойной стенки определяют по формуле

Рис. 2. Схема теплопередачи через трехслойную стенку

СПОСОБЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ .

При осуществлении термической сушки различают два про­цесса:

1) испарение подлежащей удалению влаги;

2) отвод от поверхности материала образовавшегося пара.

Для испарения 1 кг влаги к области парообразования необ­ходимо подвести вполне определенное количество теплоты. По­этому теплопередача составляет основу рабочих процессов, про­исходящих в сушильных установках. На практике в боль­шей или меньшей степени реализуются все три основные формы теплопереноса: 1) теплопроводность; 2) конвекция; 3) из­лучение.

Кроме того, во многих сушильных установках большое зна­чение имеет особая разновидность теплопередачи, а именно, тепло­передача путем кратковременного контакта, которая наблюдается, например, в вальцовых сушилках, на нагревательных решетках вакуумных сушилок и в барабанных сушилках при взаимодей­ствии холодного материала с нагретыми элементами внутренних устройств.

Подход к проблемам теплопередачи в сушильной технике отличается от подхода в других отраслях машиностроения. В ма­шиностроении форма и размеры теплопередающих и тепловоспринимающих элементов в большинстве случаев хорошо известны (трубы, пластины и т. п.). В сушильных установках геометри­ческая форма большинства сельскохозяйственных продуктов, подвергаемых сушке, чрезвычайно разнообразна, поэтому ее трудно с достаточной степенью точности описать аналитическими зависимостями.

Другая сложность состоит в том, что зона испарения влаги в материале непрерывно перемещается и зависит от условий процесса. По этой причине в сушильных установках, более чем в какой-либо другой области техники, экспериментальные иссле­дования составляют основу для расчета и проектирования уст­ройств.

Основные законы теплопередачи, излагаемые ниже, будут представлены в объеме, необходимом для полного понимания процессов, происходящих в сушильных установках сельско­хозяйственного назначения.

Теплопроводность как способ теплопередачи

Теплопередача посредством теплопроводности происходит внутри твердых тел, неподвижной жидкости и газа благодаря переносу энергии в форме теплоты от одной элементарной частицы к другой. Теплота переносится из области с высокой температурой в область с более низкой. В установившемся режиме плотность теплового потока между двумя параллельными поверхностями тела зависит от температурного напора, толщины стенки и тепло-физической константы - теплопроводности К (рис. 3.13):

Рис. 3.13. Теплопроводность плоской стенки

q – плотность теплового потока, ккал/(м2·ч);

λ – теплопроводность, ккал/(м·ч·ºС);

U1, U2 – температура на первой и второй поверхностях, ºС;

s – толщина стенки, м

В случае гомогенного тела, ограничен­ного плоскими поверхностями, температура между ними при установившемся тепловом режиме падает по линейному закону. Для

тел сложной структуры процесс в слое бесконечно малой тол­щины ds описывается уравнением вида

где dυ - разность температур в слое бесконечно малой тол­щины, °С. Знак минус в уравнении указывает на то, что теп­ловой поток направлен в сторону меньшей температуры.

Чтобы на основании рассмотрения процесса в слое бесконечно малой толщины сделать выводы о процессе во всем теле, необ­ходимо провести интегрирование при определенных граничных условиях.

Конвекция (способ теплопередачи)

Теплопередача конвекцией по существу включает два процесса (рис. 3.17):

1) передача тепла теплопроводностью от поверхности твер­дого тела через ламинарный пограничный слой к окрестностям ядра турбулентного потока;

2) передача тепла путем турбулентного переноса от ламинар­ного пограничного слоя к ядру турбулентного потока.

Для сушки характерно обратное направление теплового по­тока: от сушильного агента к поверхности твердого тела. Уравне­ние теплопередачи связывает между собой разность температур потока и поверхности тела с плотностью теплового потока:

где - коэффициент теплопередачи, ккал/(м2 ч °С);

UL;U0 - температура на стенке и в ядре потока, °С.

Рис. 3.17. Профиль температур при пере­носе теплоты от турбулентного потока к поверхности твердого тела через лами­нарный пограничный слой:UL- температура в ядре потока;U0- температура на поверхности тела

Для уяснения процессов кон­вективного теплообмена необхо­димо различать элементарные процессы (обтекание единичных тел) и сложные процессы (теп­лообмен в слое сыпучих мате­риалов, противо - и прямоток и т. д.).

Ламинарный пограничный слой, турбулентное ядро по­тока, теплопередача теплопро­водностью и турбулентным перемешиванием, так же как и массообмен в пограничном слое в прямом и обратном направлении, взаимосвязаны и оказывают друг на друга самые различные воздействия. Эти процессы можно описать с помощью балансовых уравнений обмена энергией и мас­сой. Для описания целесообразно ввести безразмерные критерии, которые связывают между собой многие физические и технологи­ческие параметры. Действительные физические зависимости с по­мощью таких критериев можно описать проще и нагляднее, отказавшись при этом от непосредственного использования фи­зических параметров, характеризующих процесс.

Излучение теплопередача излучением

Теплопередача излучением (например, при инфракрасном на­греве) происходит при переносе энергии. электромагнитными ко­лебаниями от одного тела другому. При этом в передаче энергии излучением не участвует ни твердый, ни жидкий, ни газообраз­ный носитель. В соответствии с законом Стефана-Больцмана энергия, излучаемая телом в окружающее пространство, про­порциональна его температуре (в градусах Кельвина) в четвертой степени:

q - плотность потока энергии излучения, каал/(м2·x);

С - коэффициент излучения тела;

Т - температура, К.

Если приблизить друг к другу два тела с разной температурой (рис. 3.21), то разность между поглощаемой и излучаемой энер­гией каждым из этих тел оценивается уравнением

Q = A1 С12[(Т 1 / 100)4 – (Т2 / 100)4] = A2 C21[(Т 1 / 100)4 – (Т2 / 100)4],

где Q - тепловой поток энергии излучения, ккал/ч; A1, A2 - излучающая поверхность тел 1 и 2; C12, C21 - коэффициенты излучения, ккал/[м2-ч (К/100)4]. Коэффициенты С12 или С21 исходя из представления коэффициен­тов излучения отдельных тел получа­ют из следующих уравнений:

1/С12 = 1/С1 + А1/А2 (1/С2 – 1/Сs) ;

1/С21 = 1/С2 + А2/А1 (1/С1 – 1/Сs) ;

Рис. 3.22. Плотность потока анергии из­лучения между телами, нагретыми до разной температуры (при С=4,0)

Рис 3.23. Распределение температур в керамической пластине при нагреве пото­ком инфракрасных лучей (по данным работы )

где Cs - коэффициент излучения абсолютно черного тела; Cs= 4,96 ккал/[м2-ч (К/100)4].

В таблицах нередко приводится значение относительной ха­рактеристики (табл. 3.10)

На рис. 3.22 показана зависимость плотности потока энергии излучения от температуры υ1 и υ2 в предположении, что С12 = С21 = 4 ккал/[м2-ч (К/100)4]. Из графиков видно, что при больших перепадах температур энергия излучения зависит лишь от температуры более горячего тела.

Особый интерес представляет процесс подвода теплоты с по­мощью излучения в сушильных установках, что обусловлено возможностью проникновения энергии излучения внутрь различ­ных сред. Глубина проникновения тепловых потоков при излу­чении зависит от вида материала и вида излучения. Для капил­лярно-пористых тел органического происхождения эта глубина равна 0,1-2 мм.

Вследствие того, что необходимая теплота высвобождается частично внутри тела, а не только на его поверхности, при опре­деленных условиях на поверхности плотность теплового потока может быть многократно увеличена.

Таблица 3.10 Степень черноты вещества по Шмидту

По данным А. В. Лыкова плотность потока энергии, на­пример, можно увеличить с 750 ккал/(м2-ч) при конвекции до 22 500 ккал/(м2-ч) при излучении. На рис. 3.23 представлен в гра­фическом виде процесс нагрева тела с помощью энергии излуче­ния. Из графика отчетливо видно, что тепловая энергия вначале высвобождается только внутри тела, так как в противном случае максимум температуры должен был бы находиться на поверхности тела.

Контактный теплообмен

Контактный теплообмен наблюдается, когда два тела, имеющих в начальный момент времени различную температуру, приходят в соприкосновение друг с другом, в результате чего температура этих тел стремится к некоторой общей для них средней темпера­туре . На практике теплообмен такого рода можно встретить на нагретых или нагреваемых поверхностях при пересыпании, вибрации, скольжении высушиваемого материала.

В первый момент времени после соприкосновения двух тел, которые первоначально имели различную температуру, на поверхности их касания устанавливается средняя температура, обозначаемая U0. Величина называется тепловой активностью тела. При этом:

Среднее значение приведенного коэффициента теплоотдачи, отнесенное. к промежутку времени t и температурному перепаду U0-U∞ (где - U∞ - начальная температура холодного тела), рассчитывают по формуле.

При кратковременном контакте среднее значение приведенного коэффициента теплоотдачи может быть достаточно высоким.

Теплообмен при нагреве в переменном электромагнитном поле.

Если две металлические пластины, удаленные друг от друга на определенное расстояние, поместить в переменное электромагнитное поле, то между ними возникнет переменный ток, зависящий от напряженности поля и емкости

Рис 3.25. Изменение диэлектрической проницаемости в и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ в зависимости от частоты f переменного электромагнит­ного поля и влагосодержания сосновой древесины (по данным работы )

Если между конден­саторными пластинами поме­стить материал, то емкостный ток возрастет пропорционально диэлектрической проницаемо­сти ε материала. Вода, содер­жащаяся в сельскохозяйствен­ных продуктах, по сравнению с их сухой массой имеет высо­кое значение диэлектрической проницаемости (при темпера­туре 0° С ε = 80), поэтому кон­станту е можно использовать для измерения влагосодержа­ния материала.

Чисто емкостный ток не вы­зывает разогрева влажного ма­териала. Сдвинутые по фазе токи внутри материала имеют также активную составляющую. Величина, выражающаяся отношением активной и емкостной составляющих, называется тан­генсом угла диэлектрических потерь:

IR - активная составляющая силы тока, А; IС - емкостная составляющая силы тока, A; U - действующее напряжение, В; R - активное сопротивление, Ом; w - круговая частота, 1/с; С - емкость, Ф; ε - диэлектрическая проницаемость; f - частота, Гц.

Выделение теплоты в материале обусловливается лишь актив­ной составляющей тока:

Если выразить напряжение через напряженность поля Е (напряжение, приходящееся на каждый сантиметр разделяющего пластины расстояния), то можно получить выражение, характе­ризующее мощность объемного тепловыделения:

Q - тепловыделение, ккал/ч; V - объем конденсатора, см3; Е - напряженность электрического поля, В/см.

Потери, определяемые tgδ, и диэлектрическая проницаемость е в значительной степени зависят - от влагосодержания материала и частоты изменения электромагнитного поля (рис. 3.25) . Уже при сравнительно небольшом влагосодержании оба упомяну­тых параметра значительно возрастают. Благодаря этому соз­даются необходимые условия для так называемой диэлектриче­ской сушки. При этом тепловыделения становятся особенно большими там, где влаги содержится больше всего. В результате в таких местах влага испаряется быстрее. Кроме того, в данном случае материал обезвоживается сначала изнутри, что имеет большое значение для предотвращения его разрушения от уса­дочных напряжений (при сушке дерева), наблюдаемых при обыч­ных способах сушки, когда материал высыхает вначале снаружи, а потом уже внутри.

При атмосферном давлении температура внутри влажного материала поднимается примерно до 100° С и остается постоянной на этом уровне. Если влага испаряется в таком большом коли­честве, что материал оказывается в гигроскопической области, то температура будет повышаться и далее. Вследствие этого сердце­вина материала может обуглиться, в то время как его наружные слои будут оставаться еще влажными.

Диэлектрическая, или высокочастотная сушка мало распро­странена не только лишь из-за больших капиталовложений и за­трат на высококвалифицированное обслуживание, но и вследствие большой энергоемкости процесса. Тепловая энергия, необходимая для испарения влаги, получается в результате преобразования электрической энергии, при этом преобразование энергии сопря­жено с заметными потерями.