 |
1. Основные положения теории теплообмена
|
|
|
|
1. Основные положения теории теплообмена
При соприкосновении двух тел с различной температурой происходит обмен энергии движения частиц этих тел (молекул, атомов, свободных электронов), в результате которого интенсивность движения частиц тела с меньшей температурой увеличивается, а интенсивность движения частиц тела с более высокой температурой уменьшается: тело с меньшей температурой нагревается, а тело, имеющее более высокую температуру, остывает. Следовательно, для возникновения процесса теплообмена между двумя телами или между различными областями пространства, заполненного вещественной средой, необходимо наличие разности температур.
Наряду с распространением теплоты в вещественной среде, вызванным тепловым движением ее частиц, наблюдается также перенос теплоты излучением, когда энергия передается от одного тела к другому посредством электромагнитных волн.
Различают три основные формы передачи теплоты: теплопроводность, конвективный теплообмен и лучистый теплообмен.
Теплопроводность представляет собой форму передачи теплоты путем непосредственного соприкосновения тел или отдельных частей тела, имеющих различную температуру. При этом теплообмен происходит вследствие передачи энергии микродвижения одних элементарных частиц другим.
Конвективным теплообменом называется форма передачи теплоты в пространстве, осуществляемая при перемещении макрочастиц жидкости или газа. При перемещении в пространстве потоков различно нагретых частиц жидкости или газа происходит непосредственное их соприкосновение, поэтому здесь имеет место теплопроводность. Следовательно, конвективный теплообмен представляет собой совокупное действие двух процессов – конвекции и теплопроводности.
|
|
|
В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают конвективный теплообмен при свободном движении (свободная конвекция) и конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости (вынужденная конвекция).
Свободная конвекция возникает вследствие разности плотностей неравномерно нагретых слоев жидкости или газа в поле сил тяготения. Возникновение и интенсивность свободной конвекции зависит от разности температур, рода и физических свойств жидкости, формы, размеров и положения тела, а также объема пространства, в котором протекает процесс.
Вынужденная конвекция возникает под влиянием внешнего воздействия (например, ветра, насоса, компрессора, вентилятора и т. д. ), которое создает перепад давления. Интенсивность процесса зависит от рода и физических свойств среды, ее температуры, скорости движения, формы и размеров пространства, в котором происходит движение.
Тепловым излучением называется процесс переноса энергии в пространстве электромагнитными волнами.
Лучистым теплообменом называется форма передачи теплоты излучением между телами, которая включает последовательное превращение внутренней энергии одного тела в энергию излучения, распространение ее в пространстве и превращение энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела.
Рассмотренные формы передачи теплоты во многих случаях осуществляются совместно, что необходимо учитывать при расчете теплообмена в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности.
Температурное поле
Процесс теплообмена имеет место только при условии, что в разных точках тела (или системы) температура неодинакова. В общем случае процесс распространение теплоты в телах и теплообмен между телами сопровождается изменением температуры, как в пространстве, так и во времени.
|
|
|
Совокупность значений температуры ( 
) в данный момент времени ( 
) для всех точек пространства, определяемых координатами 
называется температурным полем
. (1)
Уравнение (1) является математическим выражением температурного поля, записанным в неявной форме. Различают стационарное (установившееся) и нестационарное (неустановившееся) температурные поля.
Стационарное температурное поле наблюдается в том случае, когда температура в различных точках пространства не изменяется во времени. Если температура изменяется во времени – температурное поле называется нестационарным.
Температурное поле может быть функцией трех, двух и одной координаты. Соответственно оно называется трех-, двух и одномерным.
Уравнение простейшего одномерного стационарного температурного поля имеет следующий вид:
. (1а)
В соответствии с характером зависимости температурного поля системы от времени принципиально различают стационарный и нестационарный процессы передачи теплоты.
Аналитическое исследование теплообмена сводится, как правило, к определению пространственно-временного изменения температуры в исследуемой системе, т. е. нахождению уравнения (1) в явном виде.
|
|
|
