Общие сведения. Теплопередача или теплообмен – учение о самопроизвольных, необратимых процессах распространения теплоты в пространстве

Теплопередача или теплообмен – учение о самопроизвольных, необратимых процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом распространения теплоты понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами и между областями рассматриваемой среды.

Перенос теплоты осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.

Явление теплопроводности представляет собой процесс распространения энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется путем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах – диэлектриках – путем упругих волн. В металлах перенос энергии в основном осуществляется путем диффузии свободных электронов, а роль упругих колебаний кристаллической решетки здесь второстепенна.

Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение - процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется теплообменом излучением.

В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение - часто происходят совместно.

Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.

Конвективный перенос теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Одна из основных проблем, поставленных в Государственной программе Республики Беларусь по энергосбережению – проблема экономии и рационального использования топливно-энергетических ресурсов нашей страны, эффективное использование теплоиспользующего оборудования.

Примером такого оборудования являются теплообменные аппараты (ТА).

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Рабочими веществами в теплообменных аппаратах являются, как правило, текучие среды - жидкости и газы.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки.

Регенеративные теплообменные аппараты – это устройства, в которых одна и та же поверхность омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает теплоту от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости.

В смесительных теплообменных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей.

Тепловая труба представляет собой устройство, обладающее очень высокой теплопередающей способностью. (Принцип действия тепловой трубы и ее устройство описаны в лабораторной работе № 6). Благодаря этому с ее помощью можно осуществить эффективный перенос теплоты от горячего теплоносителя к холодному. Схема такого переноса изображена на рис. 8.1. Горячий теплоноситель омывает одну половину тепловой трубы и нагревает ее. Поступившая теплота передается вдоль тепловой трубы на вторую ее половину, которая омывается холодным теплоносителем. Холодный теплоноситель нагревается и уносит поступившую теплоту.

Пучок тепловых труб, заключенных в единый корпус, с раздельными каналами для холодного и горячего теплоносителя, представляет собой основной элемент теплообменника, общий вид которого изображен на рис. 8.2. Наличие развитого оребрения на внешней теплообменной поверхности тепловых труб и реализация внутри них замкнутого испарительно-конденсационного цикла обеспечивает высокую эффективность теплопередачи при сравнительно небольших габаритах таких устройств.

В силу своих особенностей теплообменники на тепловых трубах оказываются особо эффективными, если теплоносителями являются газы, и могут, например, широко использоваться в воздушных системах вентиляции для утилизации теплоты выбрасываемого загрязненного воздуха. Кроме того, с их помощью можно осуществлять эффективную утилизацию теплоты газообразных продуктов сгорания топлива.

Используя различные рабочие жидкости в тепловых трубах можно создавать теплообменники на их основе для работы в самых различных температурных диапазонах. В качестве рабочих тел в тепловых трубах наиболее часто применяються вода, хладоны, ацетон, спирты, аммиак, криогенные жидкости.

Эффективность работы теплообменного аппарата определяется по количеству переданного тепла и коэффициенту термодинамической эффективности теплообменного аппарата.

Термодинамическая эффективность теплообменника есть отношение количества теплоты, передаваемого в данном теплообменнике, к максимально возможному количеству теплоты, передаваемому в теплообменнике с бесконечно-большой поверхностью теплообмена, при одних тех же параметрах теплоносителей на входе и выходе. Эффективность теплообменника определяется по формуле

(8.1)

где Т _хол^вх, Т _хол^{вы х} − температуры холодной воздуха на входе и выходе,

Т _гор^вх, − температуры горячей воздуха на входе.

Рис. 8.1. Схема передачи тепловой энергии в оребренной тепловой трубе