Основы теплопередачи

При охлаждении или замораживании происходит передача теплоты (энергии) от одного тела к другому. Для передачи теплоты от одного тела к другому обязательным условием является разность температур тел, причем теплота передается от тела с более высокой температурой к телу с более низкой. Тело с более высокой температурой получило название источника теплоты, а тело с более низкой температурой — приемника теплоты (теплоприемника).
Передача теплоты может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. 
Теплопроводность. Процесс передачи теплоты от одной частицы тела к другой или от одного тела к другому, когда эти тела соприкасаются друг с другом, называется теплопроводностью. Нагрев любого тела с одной стороны приводит к тому, что через некоторое время холодная часть тела начинает нагреваться. Молекулы нагретой части тела имеют скорость большую, чем молекулы холодной части. Перемещаются они на большее расстояние и при столкновении с молекулами холодной части тела передают им часть своей энергии. Увеличение энергии молекул холодной части тела приводит к повышению температуры.
Теплопроводностью теплота может передаваться не только внутри однородного тела. Если два тела плотно соприкасаются друг с другом, то через контакт этих тел передается теплота. Теплопроводностью теплота может передаваться и через жидкие и газообразные тела.
Интенсивность передачи теплоты неодинакова для различных материалов. Металлы хорошо проводят теплоту, а вспененные полимерные материалы (пенопласт, пенополиуретан)— плохо. Материалы с хорошей способностью передавать теплоту получили название теплопроводных материалов. Материалы с низкой теплопроводной способностью получили название теплоизоляционных материалов. Твердые вещества являются более хорошими проводниками теплоты, чем жидкости, а жидкости — лучшими, чем газы.

Передача теплоты теплопроводностью прямо пропорциональна разности температур. Количество теплоты Q, передаваемое теплопроводностью, принято оценивать плотностью теплового потока:

                                                                    

 

       

            q=Q/F?,

где q плотность теплового потока Вт/м2;Q – количество переданной теплоты,Дж;F-                  площадь поверхности через которую передается теплота,м2; ?- время, с.

 

 

 

Рис. 1.2. Изменение температуры по толщине плоской стенки

Плотностью теплового потока qназывается количество теплоты, проходящей (передаваемой) через единицу поверхности F вединицу времени ?.
Изменение температуры при передаче теплоты через стенку толщиной ? показано на рис. 1.2.
Теплота передается от левой части стенки, нагретой до температуры T1 к более холодной (правой) части с температурой Т2
Плотность теплового потока: 
q=?/?(T1-T2),
где ? — толщина стенки.
Коэффициент ?, называется коэффициентом теплопроводноcти и имеет размерность Вт/(м*К). Величина коэффициента теплопроводности позволяет определить, к какой группе (теплопроводных или теплоизоляционных) относится тот или иной материал. Так, для чистой меди ?= 390 Вт/(м*К), а для пенопласта ?= 0,03 Вт/(м*К). Теплопроводность жидкостей составляет ?=(0,1... 0,7) Вт/(м*К), а для газов ?=0,01...1,0 Вт/(м*К).  
На практике принято величину ?- называть термическим сопротивлением R. В этом случае плотность теплового потока определится как :
q=(Т1-Т2)/R=?T/R 
Передача теплоты может осуществляться через многослойную стенку. Примером такой стенки может служить теплоизоляционное ограждение стационарных холодильных камер или тепловая изоляция торгового холодильного оборудования. В этом случае термическое сопротивление многослойной стенки определится как сума термических сопротивлений всех слоев: R= ?1/?1+… ?n/?n 
Конвекция. Передача теплоты может осуществляться не только в виде передачи энергии от одной молекулы к другой, но и перемещени¬ем молекул в пространстве. Если мы имеем поток среды (газа или жидкости) и температура потока в разных местах различна, то такой способ передачи теплоты называется конвекцией. 

Рис. 1.3. Схема охлаждения холодильной камеры при естественной конвекции 

  Движение газовой или жидкой среды под действием разности температур может быть естественным, без специальных устройств, перемещающих среду. Примером такого движения может служить система охлаждения холодильных камер. Охлажденный воздух имеет большую плотность и опускается в нижнюю часть холодильной камеры (рис. 1.3). Такой способ конвективного теплообмена получил название естественной конвекции. 
Движение среды при конвективном теплообмене может осуществляться принудительно (вентилятор для воздуха, мешалка для жидкости). Теплообмен в этом случае называется вынужденной (или принудительной) конвекцией. Примером такого способа передачи теплоты могут служить бытовой фен (нагреватель, снабженный вентилятором) или системы охлаждения большинства видов торгового холодильного оборудования. В данном оборудовании охлаждение объема с продуктами осуществляется при принудительном движении охлажденного воздуха. Плотность теплового потока при конвективном теплообмене: 
q=?(T1-T2), 
где q— плотность теплового потока, Вт/м2; ? — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); T1,T2 — температуры разных участков потока, К. 
Коэффициент пропорциональности ? в формуле получил название коэффициента теплоотдачи. Данный коэффициент численно равен количеству теплоты, передаваемой через единицу поверхности в единицу времени при разности температур в 1 К.
На величину коэффициента теплоотдачи ? оказывают влияние характер движения и физические свойства среды. Значение ? для газов при естественной конвекции может составлять ?газ = (3... 20) Вт/(м2- К), а для жидкостей ?ж=(100... 600) Вт/(м2К). Принудительное движение среды приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи и для газов эта величина может составить ?газ = (10... 100) Вт/(м2-К), а для жидкостей ?ж=(500... 10000) Вт/(м2-К). Больших значений коэффициент теплоотдачи достигает при фазовых переходах — кипении или конденсации. Так, при кипении коэффициент теплоотдачи может достигать 20000 Вт/(м2К), а при конденсации — 100000 Вт/(м2К).
Излучение. Если два тела имеют разную температуру и между ними отсутствует среда для передачи теплоты теплопроводностью или конвекцией, то переданное количество теплоты называется радиационной теплотой, а процесс передачи теплоты — теплообменом излучением. В этом случае перенос энергии от более нагретого тела к менее нагретому осуществляется в виде электромагнитных колебаний (электромагнитных волн). Все вещества излучают (отдают) и принимают (поглощают) теплоту в виде энергии электромагнитных волн. Тепловое излучение подобно световому и отличается только длиной или частотой волны. Причем при нагреве тела происходит изменение частоты излучения и при определенной частоте тело начинает светиться (например. нагрев металла). Тепловое излучение может проходить сквозь материал, отражаться и поглощаться. Чистое стекло, воздух пропускают большую часть теплового излучения, непрозрачные ма¬териалы — дерево, металл и др. — поглощают. Материалы светлого цвета и материалы с зеркальной и хорошо отполированной поверхностью отражают максимальное количество теплового из-лучения. 
В холодильной технике доля теплообмена излучением относительно невелика и на практике не учитывается. 

  КОЭФФИЦИЕНТ  ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

На практике чаще всего имеют дело с передачей теплоты от одной среды к другой, причем среды эти разделены жесткой однослойной или многослойной перегородкой. Примером такого способа передачи теплоты может служить теплоизоляционное ограждение холодильной камеры. Теплота из окружающей среды (теплый воздух) передается к более холодному воздуху внутри холодильной камеры (рис. 1.4).
В данном случае мы имеем пример двух способом передачи теплоты — конвекцией и теплопроводностью. Теплота окружающего воздуха конвективным теплообменом переносится к стенке холодильной камеры. Воздух имеет температуру Тов, а температура стен¬ки более низкая — Тст1. Коэффициент теплоотдачи для данного процесса передачи теплоты равен ?1. 
Через стенку холодильной камеры, теплота передается теплопроводностью. Толщина стенки обозначена ?, а коэффициент теплопроводности — ?. 
Между стенкой и воздухом в холодильной камере также осуществляется процесс передачи теплоты конвекцией с коэффициентом теплопередачи ?2. и при разности температур Тст и Тхк.
Плотность теплового потока qчерез стенку определяется по формуле:

 

 

               q= Тов –Тхк/1/?1+ ?/?+1/?2=К(Тов –Тхк)

 

   
Коэффициент пропорцио¬нальности Кполучил название коэффициента теплопередачи. Коэффициент теплопередачи имеет размерность Вт/(м2К).
Для уменьшения количества переданной теплоты q(пример со стенкой холодильной камеры) увеличивают толщину стенки ? и используют материалы с низкими значениями коэффициента теплопроводности ? (пенопласты, пенополиуритан и др.).

Рис.1.4 Схема передачи теплоты из окружающей среды в холодильную камеру