Сложный теплообмен в энергетических установках

Различают три элементарных способа передачи теплоты:

• 1. теплопроводность (кондукция);
• 2. конвекция;
• 3. тепловое излучение (радиационный теплообмен).

Теплопроводность (кондукция) — способ передачи теплоты за счет взаимодействия микрочастиц тела (атомов, молекул, ионов в электролитах и электронов в металлах) в переменном поле температур.

Теплопроводность имеет место в твердых, жидких и газообразных телах. В твердых телах теплопроводность является единственным способом передачи теплоты. В вакууме теплопроводность отсутствует.

Конвекция — способ передачи теплоты за счет перемещения макро объемов среды из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом текучая среда (флюид) с более высокой температурой перемещается в область более низких температур, а холодный флюид — в область с высокой температурой. В вакууме конвекция теплоты невозможна.

Тепловое излучение (радиационный теплообмен) — способ передачи теплоты за счет распространения электромагнитных волн в определенном диапазоне частот.

Замечания:

• — все тела выше 0 К обладают собственным тепловым излучением, то есть энергию излучают все тела;
• — для передачи теплоты излучением не требуется тело-посредник, т. е. лучистая энергия может передаваться и в вакууме.

В природе и в технических устройствах, как правило, все три способа передачи теплоты происходят одновременно. Такой теплообмен называется сложным теплообменом.

Например, конвекция теплоты всегда протекает совместно с теплопроводностью, так как макро объемы текучей среды состоят из микрообъемов, и есть неравномерное по пространству температурное поле. Передача теплоты совместно теплопроводностью и конвекцией называется конвективным теплообменом.

Совместная передача теплоты излучением и теплопроводностью называется радиационно-кондуктивным теплообменом.

Совместная передача теплоты излучением и конвекцией называется радиационно-конвективным теплообменом.

В природе и технике наиболее часто встречаются следующие два варианта сложного теплообмена:

• — теплоотдача — процесс теплообмена между непроницаемой твёрдой стенкой и окружающей текучей средой;
• — теплопередача — передача теплоты от одной текучей среды к другой текучей среде через непроницаемую твёрдую стенку.

Теплоотдача. График температурного поля при теплоотдаче показан на рис. 9. Температура текучей среды изменяется в очень узкой области, которая называется тепловым пограничным слоем.

Рис. 9 Схема процесса теплоотдачи: T_w — температура стенки; T_f — температура текучей среды; д_q — толщина теплового пограничного слоя

Заметим, что в зависимости от соотношения температур стенки T_w и флюида T_f тепловой поток Q может нагревать стенку при условии или охлаждать ее, если .

Процесс теплоотдачи может быть осуществлен сочетанием следующих элементарных процессов теплообмена:

• — конвективная теплоотдача (конвекция + теплопроводность = конвективный теплообмен) — имеет место при омывании твердых поверхностей различной формы текучей средой (лученепрозрачной капельной жидкостью);
• — лучистая или радиационная теплоотдача (тепловое излучение) — имеет место при радиационном теплообмене в вакууме или между стенкой и излучающим и поглощающим неподвижным газом;
• — радиационно-конвективная теплоотдача (тепловое излучение + конвективный теплообмен) — наиболее часто встречающийся в практике расчетов случай сложного теплообмена;
• — конвективная теплоотдача при фазовых превращениях теплоносителя (конвекция + теплопроводность + возможно излучение) — теплоотдача при конденсации и кипении, протекающая с выделением или поглощением теплоты фазового перехода.

Используя теорию подобия из системы дифференциальных уравнений, можно получить уравнение теплоотдачи для теплообмена в критериальной форме где X₀; Y₀; Z₀— безразмерные координаты;

• — критерий Нуссельта, характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью (газом).
• -критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и вязкости и определяет характер течения жидкости.
• — критерий Грасгофа, характеризует подъёмную силу, возникающую в жидкости вследствие разности плотностей.
• — критерий Прандтля, характеризует физические свойства жидкости.