Лучистый теплообмен

Наряду с термином «теплоотдача» для обозначения этого процесса часто используют термин «конвекция».

Теплоотдача — это процесс теплового взаимодействия твердой стенки и омывающей эту стенку жидкой (газообразной) среды. Перенос тепла при этом происходит вместе с перемещением вещества в пространстве. При этом не имеет значение направление теплового потока. И в случае, если тепловой поток направлен от стенки в жидкость, и в случае, когда жидкость нагревает стенку — оба процесса переноса тепла называют теплоотдачей. Процесс теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи, который зависит от условий омывания теплообменной поверхности жидкостью. Основной характеристикой теплоотдачи является количество тепла, которым обмениваются теплообменная поверхность с жидкостью, омывающей эту поверхность:

Q = aFDt, Вт, (11.2)

где a — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К);

F — площадь теплообменной поверхности, м²;

Dt — разность температур между температурой греющей стенки и температурой жидкости (либо между температурой греющей жидкости и температурой стенки), K.

Формула, часто используемая в расчетах теплообменных аппаратов, была предложена И. Ньютоном.

Теплопроводность, которую часто называют кондукцией, это перенос тепла внутри тела от участков тела с большей температурой к участкам тела с меньшей температурой. Этот перенос тепла может происходить и при непосредственном контакте от тела к телу. Процесс этот осуществляется самопроизвольно в виде переноса импульса энергии от молекулы к молекуле. Чем меньше расстояние между молекулами, тем лучше проводимость тепла. И, следовательно, теплопроводность металлов поэтому высока, теплопроводность жидкостей значительно хуже, а теплопроводность газов исчезающе мала. Поэтому воздух (при условии его неподвижности, при отсутствии конвекции) является замечательной изоляцией. Явление теплопроводности легко наблюдать при нагревании металлического стержня с одного конца. При этом теплота распространяется по всему телу, что объясняется возбуждением электронов, передающих это возбуждение дальше.

Одновременно для обозначения процесса лучистого теплообмена применяются также термины — тепловое излучение и радиация. Лучистый теплообмен — это процесс переноса тепла в виде электромагнитных волн. При этом происходит двойное взаимное превращение — тепловая энергия превращается в лучистую, а затем лучистая — в тепловую. Часть внутренней энергии тела превращается в электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве. На пути они встречают другое тело, которое поглощает эту энергию, волны опять превращаются во внутреннюю энергию. Скорость распространения тепловых электромагнитных волн равна скорости света. Разница между тепловым и световым лучом только в величине длин их волн.

Как правило, элементарные виды теплообмена встречаются в чистом виде редко. Обычно наблюдается их совместное протекание в различных комбинациях. Например, в котлах тепловом потоке от топочных газов к внешней поверхности труб участвуют все три вида теплообмена — конвекция, излучение и теплопроводность. Далее сквозь слой металла и слой накипи процесс идет только за счет теплопроводности, а от внутренней поверхности труб к воде осуществляется теплоотдача.

То есть на отдельных этапах процесса перехода тепла элементарные виды теплообмена могут находится в самом различном сочетании.

Основными факторами, влияющими на интенсивность теплообменных процессов, являются:

• температурный напор (разность температур) между средами или участками тел;
• физические свойства сред, обменивающихся теплом.