2.1. Теплопередача, виды теплообмена

Теплопередача – совокупность необратимых процессов переноса тепла, происходящих в неравномерно нагретых телах (средах) или между телами с различными температурами через промежуточную среду.

Теплообмен – процесс распространения тепла от более нагретых тел к менее нагретым.

Различают такие виды теплообмена, как теплопроводность; конвекция; тепловое излучение (радиационное или лучистое излучение).

Теплообмен осуществляется с помощью теплообменных аппаратов (теплообменников) через рабочую среду, в качестве которой выступает вода или газ (пар).

По принципу действия теплообменники разделяются на поверхностные и смесительные. В первых аппаратах теплообмен осуществляется рабочей средой через поверхность нагрева тел, во–вторых – путем непосредственного смешения горячей и холодной сред.

Поверхностные теплообменники разделяются на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативных теплообменниках тепловой поток через стенку всегда идет в одном направлении (паровой котел, кипятильник, электрокалорифер и др.). Кроме того, в зависимости от направления теплового потока они могут быть нагревателями или холодильниками. В зависимости от рода теплообменной среды они могут быть парожидкостными (водяные печи саун, водогрейные котлы), жидкостно–жидкостными (системы сетевой воды), газожидкостными (газовые водогрейные колонки) и газо–газовыми (пароперегреватель парового котла, промежуточный перегреватель пара).

В регенеративных теплообменниках тепловой поток меняет направление в зависимости от того, какая среда соприкасается со стенкой (греющая или нагреваемая), поскольку с одной и той же поверхностью нагрева соприкасаются горячая и холодная среда одновременно (регенеративные подогреватели конденсата, питательной воды).

Смесительные теплообменники применяют как для охлаждения, так и для нагревания газов и жидкостей. В качестве смешиваемых сред могут выступать вода и пар (барабан парового котла), вода и вода (системы горячего водоснабжения), вода и воздух (системы вентиляции, кондиционирования воздуха), газ и воздух (системы питания котельных агрегатов) и др. Одним из определяющих факторов в работе смесительных теплообменников является поверхность соприкосновения смешиваемых сред. Для увеличения поверхности соприкосновения сред жидкость обычно разбрызгивают, теплообменники загружаются пусковым материалом (коксом, хворостом и др.). Смесительные теплообменники допускают более полное использование тепла, чем поверхностные, но они применимы лишь, когда допустимо смешение сред.

Теплопроводность – один из видов теплопередачи (теплообмена), при котором перенос тепла имеет атомно–молекулярный характер. Явление теплопередачи возникает всегда, когда между телами или участками тела есть разница температур. В отличие от конвекции, перенос тепла происходит без каких–либо макроскопических движений в теле. Количественно теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Механизм теплопроводности зависит от природы и физического состояния тела. В частности, в газах передача тепла происходит путем столкновения молекул друг с другом, в металлах тепло переносится в основном электронами, в жидкостях – ионами, в диэлектриках – колебаниями кристаллической решетки.

Конвекция – перенос тепла внутри области, заполненной жидкой или газообразной средой, вследствие перемещения вещества этой среды.

Различают естественную (свободную) и вынужденную конвекцию.

При естественной конвекции перемещение вещества происходит исключительно вследствие различия температур в отдельных местах, заполненных жидкостью или газом. Интенсивность конвекции при этом тем больше, чем больше разность температур, чем больше теплопроводность и коэффициент объемного расширения вещества, чем меньше его вязкость. Естественная конвекция имеет место как в природных условиях, так и в технических устройствах.

При вынужденной конвекции перемещение вещества происходит главным образом под воздействием внешнего возбудителя (насоса, вентилятора, дымососа, мешалки и др.). Интенсивность переноса тепла при этом зависит как от перечисленных выше факторов для естественной конвекции, так и от скорости вынужденного движения. Вынужденная конвекция используется, в частности, при нагреве питательной воды котельных агрегатов дымовыми отходящими газами в конвективной зоне котла (экономайзер котла). Конвективными подогревателями воздуха с вынужденной конвекцией являются, например, батареи центрального отопления, электрокалориферы и др.

Тепловое излучение (температурное излучение) – электромагнитное излучение, обусловленное тепловой энергией излучающего тела (твердого, жидкого или газообразного). Происходит в результате колебаний электрически заряженных частиц (электронов, ионов) в веществе. При тепловом излучении имеет место устойчивое равновесное состояние, причем в спектре теплового излучения присутствуют электромагнитные волны разной длины волны (сплошной спектр), амплитуда которых зависит от температуры. При низких температурах имеет место инфракрасное (сравнительно низкочастотное невидимое) излучение, при высоких температурах – видимое и ультрафиолетовое излучение. Например, при нагревании тугоплавкого тела (угля, металла) до температуры около 500 °С появляется видимое темно–красное свечение этого тела. При температуре тела около 1500 °С свечение переходит в белое каление.

Основные характеристики теплового излучения:

1) излучательная способность тела – количество энергии, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности тела в интервале определенных частот;

2) поглощательная способность тела – отношение для данного интервала частот количества энергии, поглощаемой единицей поверхности тела, к количеству энергии, падающей на ту же поверхность за то же время.

Основной закон теплового излучения сформулирован Кирхгофом: отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела, являясь универсальной функцией температуры и частоты. Для абсолютно черного тела, например, сажи, поглощательная способность максимальна и равна единице. Свечение, не подчиняющееся закону Кирхгофа, не является тепловым (например, люминесцентным).

Отдача тепла лучеиспусканием имеет место, в частности, в топочных камерах котельных агрегатов. Нагревательные элементы (радиационные или лучевые, ширменные нагреватели), представляющие собой систему высокотемпературных металлических труб, размещают под потолком котла, и пропускают через них нагреваемое рабочее тело (питательную воду или пар).