Основы теории теплопередачи и способы передачи тепла

Теплопередачей, или теорией теплообмена, называют учение о распространении тепла в различных средах и о переходе тепла от более нагретых тел к менее нагретым. Есть только одно направление потока тепла — от горячих тел к холодным.

Все процессы, протекающие в котельных агрегатах, турбинах, конденсаторах, тепловых аппаратах приготовления пищи, сопровождаются теплообменом.

Различают три основных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность — это передача тепла (тепловой энергии) при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих различные температуры. Суть процесса состоит в том, что мельчайшие частицы тела с более высокой температурой имеют большую кинетическую энергию и при соприкосновении с частицами с меньшей температурой отдают свою энергию, а последние ее воспринимают. При этом никакого переноса массы вещества не происходит. В чистом виде теплопроводность может наблюдаться только в твердых телах.

Конвекция — перенос теплоты потоком жидкости или газа вследствие переноса массы вещества. Каждый элемент объема движущейся среды переносит теплоту при соприкосновении с нагретой поверхностью. В этом случае более нагретые частицы сталкиваются с менее нагретыми и отдают им часть своей энергии теплопроводностью. Передача тепла конвекцией в сочетании с теплопроводностью называется конвективной. Существует два вида конвекции: свободная (естественная), возникающая из-за разности плотностей среды, и вынужденная, возникающая под действием работы вентиляторов, насосов и т. д.

Излучение — процесс передачи тепла от одного тела к другому в виде лучистой энергии, которая, попадая на другие тела, частично или полностью поглощается этими телами и вызывает их нагрев. При этом присутствие физической среды необязательно. Излучение имеет электромагнитную природу, причем в вакууме энергия излучения распространяется со скоростью света.

В реальных условиях имеет место сложный теплообмен, при котором передача тепла осуществляется одновременно всеми тремя способами.

Теплообмен между телами может происходить при установившемся или неустановившемся тепловом режиме. При установившемся, или стационарном, тепловом режиме температура в каждой точке тела остается неизменной с течением времени.

При неустановившемся, или нестационарном, тепловом режиме температура в каждой точке тела изменяется с течением времени. Процессы нагрева и охлаждения продуктов в тепловых аппаратах и холодильных камерах соответственно протекают при нестационарных режимах.

Конвективный теплообмен осуществляется между стенкой сосуда и жидкостью (газом), омывающей эту стенку, при их непосредственном соприкосновении.

В зависимости от длины излучаемых волн проявляются различные свойства лучистой энергии. В связи с этим различают лучи: рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, гамма-лучи, инфракрасные и т. д. В теплообмене большое значение имеют тепловые (инфракрасные) лучи.

Все тела при температурах, отличных от нуля, обладают способностью испускать, поглощать и отражать лучистую энергию. Тело может также пропускать через себя лучи, падающие на него от другого тела.

Лучистая энергия, падающая на тело, частично им поглощается, частично отражается от его поверхности, а частично пропускается телом на поверхность другого тела.

Для уменьшения потерь тепла боковыми поверхностями тепловых аппаратов в окружающую среду в жарочных, пекарских шкафах, в печах хлебопекарен и в другом оборудовании применяют экраны из алюминиевой фольги между внутренним и наружным коробом. В результате интенсивность лучистого теплообмена между этими поверхностями уменьшается в (n+1) раз (n — количество экранов). Экраны способствуют повышению КПД теплового аппарата и снижению температуры на поверхности аппаратов до допустимых по стандартным нормам значениям.

Сложный теплообмен представляет собой совокупность одновременно протекающих процессов теплопроводности, конвективного переноса тепла и теплового излучения. Например, если рассматривать нагрев воды в кастрюле, стоящей на электроплите, то здесь имеет место передача тепла теплопроводностью, излучением и конвекцией.

При нагреве воды в котлах с промежуточным теплоносителем осуществляется передача тепла от пара пароводяной рубашки к воде, т. е. имеет место переход тепла через стенку котла. Интенсивность такого перехода тепла через стенку оценивается коэффициентом теплопередачи.

Коэффициентом теплопередачи называется количество тепла, передаваемое от одной среды к другой через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между средами в один градус.

Сами стенки могут быть однослойными, двухслойными и многослойными, но суть физического явления передачи тепла остается одинаковой. При передаче теплоты от нагретой среды, например, в жарочном шкафу теплота передается к поверхности внутренней стенки конвекцией, затем теплопроводностью через все слои стенки и от последней наружной поверхности стенки — конвекцией к другой среде (воздуху), температура которого ниже, чем температура греющей среды.