§ 14. Основы теплопередачи

Передачу теплоты от одних тел к другим или от одних частей тела к другим его частям, вызванную разностью температур меж­ду ними, называют теплообменом. Виды теплообмена: теплопро­водность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность — перенос энергии от более нагретых участ­ков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаи­модействия микрочастиц. Такой способ передачи теплоты в чистом виде наблюдается только в твердых телах. В жидкостях и газах теплопроводность наблюдается при неподвижности среды.

Конвекцией называют перенос теплоты перемещением и переме­шиванием между собой частиц жидкости или газа.

Тепловое излучение (лучеиспускание) — перенос энергии (теп­лоты), подобно свету, в виде электромагнитных волн. Обычно один вид теплообмена сопровождается другим и в целом представляет сложный процесс, называемый теплопередачей.

Для оценки теплопроводящих свойств материалов служит коэф­фициент теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теп­лоты, которое проходит в единицу времени (1 с) в теле через еди­ницу поверхности (1 м²) при снижении температуры на 1 К на 1 м пути теплового потока, т. е. обычно количество переносимой энергии, определяемое как плотность теплового потока, пропорционально градиенту температуры.

Коэффициент теплопроводности обозначают буквой λ , который у различных материалов неодинаков и зависит от их свойств, у га­зообразных и жидких — от плотности, влажности, давления и тем­пературы этих веществ. При технических расчетах значение λ вы­бирают по соответствующим справочным таблицам.

Количество переданной теплоты Q (Дж) определяют по форму­ле Фурье (закон распространения количества теплоты путем тепло­проводности): Q = λ/b(T₁—T₂)St, где b — толщина стенки, м; T₁, и Т₂ — температура наружной и внутренней поверхностей стенки, К; t — время, с; S — поверхность стенки, м².

Величину k/b называют тепловой проводимостью стенки, а ве­личину b\λ — термическим сопротивлением стенки.

В теплотехнике широко используют частный случай конвектив­ного теплообмена, который осуществляется между твердой поверх­ностью и омывающей ее жидкостью или газом. Этот вид тепло­обмена называют теплоотдачей.

Интенсивность теплообмена между стенкой и жидкостью (га­зом) зависит от скорости и характера движения, разности темпе­ратур, состояния и физических свойств жидкости (газа), состоя­ния поверхности стенки. На интенсивность теплообмена оказы­вают большое влияние также форма поверхности теплоотдачи и ее расположение (трубы горизонтальные, вертикальные или наклон­ные). Теплообмен изменяется также и от того, протекает ли жид­кость (газ) внутри трубы или обтекает снаружи.

Коэффициент теплоотдачи а показывает, какое количество теплоты передается от жидкости к стенке или, наоборот, в еди­ницу времени

через единицу поверхности при разности температур поверхности стенки и жидкости.

Количество теплоты, передаваемое в единицу времени 1 м² стенки, подсчитывают по формуле

Q=a(T-T_с),

где Т и T_с — соответственно температуры жидкости (газа) и стенки.

Величину 1/a, обратную коэффициенту теплоотдачи, называют термическим сопротивлением теплоотдачи.

В теплообменниках, насосных, компрессорных и холодильных установках теплопередача происходит через гладкие и ребристые трубы, а также другие теплообменные поверхности.

Контрольные вопросы. 1. Какими параметрами определяют состояние газа? 2. Чем отличается реальный газ от идеального? 3. Запишите формулы и объ­ясните законы Бойля — Мариотта, Гей-Люссака. 4. Что называется удельной теплоемкостью? 5. Опишите первый и второй законы термодинамики. 6. Какие вы знаете термодинамические процессы? 7. Чем отличается процесс испарения от процесса кипения? 8. Перечислите свойства влажного воздуха. 9. Какой процесс называют дросселированием? 10. Что такое теплопроводность, конвек­ция, теплопередача?