Wymiana ciepła - co to jest? Rodzaje, metody, obliczanie wymiany ciepła

Wymiana ciepła jest ważnym procesem fizycznym. Obejmuje przenoszenie ciepła i jest złożonym procesem, który składa się z zestawu prostych przekształceń.

Istnieją pewne rodzaje przekazywania ciepła: konwekcja, przewodzenie ciepła, promieniowanie cieplne.

Funkcje procesowe

Teoria transferu ciepła jest nauką o funkcjach przenoszenia ciepła. Przenikanie ciepła to transfer energii w gazowych, płynnych, stałych mediach.

века. Teoria ciepła pojawiła się w połowie XVIII wieku. Jego autorem był M. V. Łomonosow, który sformułował mechaniczną teorię ciepła, stosując prawo zachowania i transformacji energii.

Opcje wymiany ciepła

Wymiana ciepła jest integralną częścią inżynierii cieplnej. Różne ciała mogą wymieniać się nimi energia wewnętrzna w postaci ciepła. Opcja wymiany ciepła jest spontanicznym procesem wymiany ciepła w wolnej przestrzeni, co obserwuje się przy nierównomiernym rozkładzie temperatury.

Różnica wartości temperatury jest warunkiem wstępnym wymiany ciepła. Rozkład ciepła zachodzi od ciał o wyższej temperaturze do ciał o niższym wskaźniku.

Wyniki badań

Przenikanie ciepła jest procesem przenoszenia ciepła wewnątrz ciała stałego, ale pod warunkiem, że istnieje różnica temperatur.

Liczne badania wskazują, że wymiana ciepła otaczających struktur jest złożonym procesem. Aby uprościć badanie istoty zjawisk związanych z przenoszeniem ciepła, wyemitować elementarne operacje: przewodzenie, promieniowanie, konwekcję.

Przewodność cieplna: Informacje ogólne

Jaki rodzaj transferu ciepła jest najczęściej stosowany? Przenosząc substancję do wnętrza ciała, można zmienić temperaturę, na przykład podgrzewanie pręta metalowego, zwiększenie prędkości ruchu termicznego atomów, cząsteczek, zwiększenie energii wewnętrznej, zwiększenie przewodności cieplnej materiału. W miarę zderzania się cząstek następuje stopniowy przepływ energii, w wyniku czego cały pręt zmienia swoją temperaturę.

Jeśli weźmiemy pod uwagę substancje gazowe i ciekłe, to transfer energii poprzez przewodzenie ciepła w nich ma nieistotne wskaźniki.

Konwekcja

Takie metody przekazywania ciepła są związane z przenoszeniem ciepła podczas przemieszczania się w gazach lub cieczach z regionu o jednej wartości temperatury do regionu z innym wskaźnikiem. Istnieje konwekcja konwekcyjna na dwa rodzaje: przymusowa i wolna.

W drugim przypadku płyn porusza się pod wpływem różnicy w gęstości poszczególnych jego części z powodu ogrzewania. Na przykład w pomieszczeniu od gorącej powierzchni chłodnicy wzrasta zimne powietrze, odbierając dodatkowe ciepło z akumulatora.

W przypadkach, gdy do ruchu ciepła konieczne jest użycie pompy, wentylatora, miksera, mówimy o konwekcji wymuszonej. Ogrzewanie w całej objętości cieczy następuje w tym przypadku znacznie szybciej niż przy konwekcji swobodnej.

Promieniowanie

Jaki rodzaj przekazywania ciepła charakteryzuje zmianę temperatury w środowisku gazowym? Chodzi o promieniowanie cieplne.

Że wiąże się to z przekazywaniem ciepła w postaci fale elektromagnetyczne sugerując podwójne przejście energii cieplnej w promieniowanie, a następnie z powrotem.

Cechy przekazywania ciepła

W celu przeprowadzenia obliczeń wymiany ciepła należy mieć wyobrażenie, że do przewodzenia ciepła i konwekcji potrzebne jest medium termiczne, co nie jest konieczne dla promieniowania. W procesie wymiany ciepła między ciałami obserwuje się spadek temperatury w tym korpusie, w którym wskaźnik ten ma dużą wartość.

Temperatura zimnego ciała wzrasta dokładnie o taką samą wartość, co potwierdza pełnoprawny proces wymiany energii.

Intensywność wymiany ciepła zależy od różnicy temperatur między ciałami, które wymieniają energię. Jeśli jest praktycznie nieobecny, proces jest zakończony, ustala się równowaga termiczna.

Charakterystyka procesu przewodności cieplnej

Współczynnik przenikania ciepła jest związany ze stopniem ciepła ciała. Pole temperatury jest sumą wskaźników temperatury dla różnych punktów w przestrzeni w danym momencie. Gdy wartość temperatury zmienia się w jednostce czasu, pole jest niestacjonarne, dla stałej wartości - nieruchomy widok.

Powierzchnia izotermiczna

Niezależnie od pola temperatury, zawsze możesz zidentyfikować punkty o tej samej wartości temperatury. Ich geometryczny układ tworzy pewną izotermiczną powierzchnię.

W jednym punkcie przestrzeni nie można równocześnie znaleźć dwóch różnych temperatur, dlatego izotermiczne powierzchnie nie mogą się przecinać. Można wywnioskować, że zmiana w ciele wartości temperatury objawia się tylko w tych kierunkach, które przecinają powierzchnie izotermiczne.

Maksymalny skok odnotowywany jest w kierunku normalnym do powierzchni. Gradient temperatury jest stosunkiem najwyższej temperatury do przedziału między izotermami i jest wielkością wektora.

Pokazuje intensywność zmiany temperatury wewnątrz ciała, określa współczynnik przenikania ciepła. To jest ilość ciepła które będą przenoszone przez dowolną powierzchnię izotermiczną, zwaną przepływem ciepła.

Przez swoją gęstość rozumie się stosunek do powierzchni jednostkowej samej powierzchni izotermicznej. Te wartości są przeciwnymi wektorami.

Prawo Fouriera

Jest to podstawowe prawo przewodzenia ciepła. Jego istotą jest proporcjonalność gęstości strumienia ciepła do gradientu temperatury.

Współczynnik przewodności cieplnej charakteryzuje zdolność ciał do przekazywania ciepła, zależy od fizycznych właściwości substancji i jej składu chemicznego, wilgotności, temperatury, porowatości. Wilgoć podczas napełniania porów stymuluje wzrost przewodności cieplnej. Przy wysokiej porowatości wewnątrz ciała zawarta jest zwiększona ilość powietrza, co wpływa na obniżenie przewodności cieplnej.

Wszystkie materiały mają pewien współczynnik odporności na przenoszenie ciepła, można je znaleźć w książkach referencyjnych.

Przewodność cieplna w litej ścianie

Warunkiem wstępnym tego procesu jest różnica temperatur między powierzchniami ściany. W takiej sytuacji powstaje strumień ciepła, który jest skierowany ze ściany o dużej wartości temperatury do powierzchni ściany przy niskiej temperaturze.

Zgodnie z prawem Fouriera strumień ciepła będzie proporcjonalny do powierzchni ściany, jak również ciśnienia temperatury i odwrotnie proporcjonalna do grubości tej ściany.

Zmniejszona odporność na przenoszenie ciepła zależy od przewodność cieplna materiału z którego wykonane są ściany. Jeśli zawierają one kilka różnych warstw, są uważane za wielowarstwowe.

Jako przykład takich materiałów można nazwać ściany domów, w których wewnętrzna warstwa tynku nakładana jest na warstwę cegły, a także zewnętrzna podszewka. W przypadku zanieczyszczenia zewnętrznej powierzchni przesyłowej energii cieplnej, na przykład grzejników lub silników, zabrudzenie można uznać za nałożenie nowej warstwy o nieznacznym współczynniku przewodności cieplnej.

Z tego powodu wymiana ciepła jest zmniejszona, istnieje ryzyko przegrzania działającego silnika. Podobny efekt powoduje sadza i skala. Wraz ze wzrostem liczby warstw ściany, jej maksymalny opór cieplny wzrasta, a strumień ciepła maleje.

W przypadku ścian wielowarstwowych rozkład temperatury jest linią przerywaną. W wielu wymiennikach ciepła strumień ciepła przechodzi przez ściany okrągłych rur. Jeśli korpus nagrzewnicy porusza się wewnątrz takich rur, strumień ciepła kierowany jest do ścian zewnętrznych od części wewnętrznych. Gdy obserwuje się zewnętrzny wariant, proces odwrotny.

Wymiana ciepła: cechy procesu

Istnieje interakcja między promieniowaniem cieplnym, konwekcją, przewodzeniem ciepła. Na przykład w procesie konwekcji występuje promieniowanie cieplne. Przewodnictwo cieplne w materiałach porowatych jest niemożliwe bez promieniowania i konwekcji.

Podczas wykonywania praktycznych obliczeń podział złożonych procesów na odrębne zjawiska nie zawsze jest wskazany i możliwy. Zasadniczo wynik skumulowanych skutków kilku prostych zjawisk przypisuje się procesowi, który jest uważany za główny w konkretnym przypadku.

Procesy wtórne w tym podejściu są brane pod uwagę tylko do obliczeń ilościowych.

W nowoczesnych wymiennikach ciepła ciepło jest przenoszone z jednego rodzaju cieczy na inny płyn przez ścianę, która je oddziela. Ważnym czynnikiem wpływającym na współczynnik przenikania ciepła jest kształt ściany. Jeśli jest płaski, można wyróżnić trzy etapy wymiany ciepła:

• do powierzchni ściany z płynu grzewczego;
• przewodność cieplna przez ścianę;
• do ogrzanego płynu do powierzchni ściany.

Całkowity opór cieplny przenikania ciepła jest odwrotnością współczynnika przenikania ciepła.

Wniosek

Przewodność cieplna to proces przekazywania energii wewnętrznej z rozgrzanych części ciała do jej zimnych części. Podobny proces przeprowadza się za pomocą losowo poruszających się atomów, cząsteczek, elektronów. Taki proces może zachodzić w ciałach, które mają niejednorodny rozkład wartości temperatury, ale będą się różnić w zależności od stanu skupienia danej substancji.

Można uznać tę wartość za ilościową cechę zdolności organizmu do przewodzenia ciepła. м²/сек. Przewodność cieplna odnosi się do ilości ciepła, która może przechodzić przez materiał o grubości 1 m, powierzchni 1 m² / s.

Przez długi czas uważano, że istnieje związek pomiędzy przeniesieniem energii cieplnej i przeniesieniem kalorii z ciała na ciało. Ale po przeprowadzeniu licznych eksperymentów ujawniono zależność takich procesów od temperatury.

W rzeczywistości, przy wykonywaniu obliczeń matematycznych dotyczących określania ilości ciepła przekazywanego w różny sposób, brane są pod uwagę przewodność konwekcyjna oraz promieniowanie przenikliwe. Współczynnik przenikania ciepła jest związany z prędkością poruszania się płynu, rodzajem ruchu, jego naturą, a także fizycznymi parametrami poruszającego się medium.

Drgania elektromagnetyczne o różnych długościach fali działają jako nośniki energii promieniowania. Mogą być emitowane przez ciała, których temperatura przekracza zero.

Promieniowanie jest wynikiem procesów zachodzących w ciele. Kiedy uderza w inne ciała, jest częściowo wchłaniany i częściowo wchłaniany przez organizm.

Prawo Plancka określa zależność gęstości strumienia powierzchni ciała czarnego od temperatury bezwzględnej i długości fali.

Najprostsze rodzaje wymiany ciepła, które zostały omówione powyżej, nie istnieją osobno, są ze sobą powiązane. Ich kombinacja jest złożoną wymianą ciepła, która wymaga poważnych badań i szczegółowych rozważań.

W obliczenia inżynierii cieplnej użyj całkowitego współczynnika przenikania ciepła, który jest kombinacją współczynników przenikania ciepła przez kontakt, który uwzględnia przewodność cieplną, konwekcję, promieniowanie.

Dzięki właściwemu podejściu i rozliczaniu poszczególnych zjawisk cieplnych możliwe jest obliczenie z dużą pewnością ilości ciepła przekazywanego do ciała.