Особенности теплообмена

Основные механизмы теплообмена

Теплообмен — процесс передачи тепловой энергии между телами или внутри одного тела за счёт разности температур.

Выделяют три основных механизма:

Теплопроводность — передача тепла за счёт взаимодействия молекул внутри тела без перемещения вещества.
Конвекция — перенос тепла с перемещением жидкости или газа.
Излучение — передача тепла в виде электромагнитных волн (инфракрасное излучение).

Теплопроводность в жидкостях и газах

Теплопроводность описывается законом Фурье:

$$ q = -\lambda \frac{dT}{dx} $$

где q — тепловой поток, λ — коэффициент теплопроводности, $\frac{dT}{dx}$ — градиент температуры.

Для газов теплопроводность обычно ниже, чем для жидкостей, поскольку молекулы газов находятся дальше друг от друга, и столкновения происходят реже.

Конвекция

Конвекция бывает двух видов:

Естественная конвекция — вызвана разностью плотностей в жидкости или газе при нагреве. Тёплый слой поднимается, холодный опускается, создавая циркуляцию.
Вынужденная конвекция — вызвана внешним движением жидкости или газа (например, вентилятором или насосом).

Конвективный теплообмен описывается законом Ньютона охлаждения:

q = α(T_пов − T_ср)

где α — коэффициент теплоотдачи, T_пов — температура поверхности, T_ср — температура окружающей среды.

Излучение тепла

Все тела, имея температуру выше абсолютного нуля, излучают электромагнитное излучение. Количество излучаемой энергии описывается законом Стефана — Больцмана:

E = εσT⁴

где E — излучаемая энергия на единицу поверхности, ε — эмиссивность тела (от 0 до 1), σ — постоянная Стефана — Больцмана, T — абсолютная температура тела.

Особенности теплообмена при кипении и конденсации

Теплообмен при фазовых переходах отличается высокой интенсивностью, так как на переход фазы уходит или выделяется значительная тепловая энергия.

При кипении тепло передаётся от нагревающей поверхности жидкости в жидкость и далее на образование пара. Это обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи.
При конденсации пар охлаждается и переходит в жидкость, выделяя большое количество тепла, которое передаётся окружающей среде или стенкам.

Особенности теплообмена при кипении и конденсации активно используются в теплообменниках, холодильных и паровых установках.

Влияние параметров на теплообмен

Температура и давление: Изменение давления влияет на температуру кипения и, следовательно, на тепловой поток.
Скорость жидкости или газа: Увеличение скорости усиливает конвективный теплообмен.
Состояние поверхности: Шероховатость и материал поверхности влияют на коэффициент теплоотдачи.

Практическое значение

Понимание процессов кипения, конденсации и особенностей теплообмена важно для проектирования:

Паровых котлов и турбин,
Систем охлаждения и отопления,
Холодильных и кондиционерных установок,
Теплообменников промышленного назначения.