МЕТОДИ ЗА ТОПЛОПРЕДАВАНЕ.
При термично сушене се разграничават два процеса:
1) изпаряване на влагата, която трябва да бъде отстранена;
2) отстраняване на образуваната пара от повърхността на материала.
За изпаряването на 1 kg влага е необходимо да се донесе определено количество топлина в зоната на изпаряване. Следователно топлообменът е в основата на работните процеси, протичащи в сушилните. На практика в по-голяма или по-малка степен се реализират и трите основни форми на топлообмен: 1) топлопроводимост; 2) конвекция; 3) радиация.
Освен това в много сушилни е от голямо значение специален тип пренос на топлина, а именно пренос на топлина чрез краткотраен контакт, който се случва например в ролкови сушилни, върху нагревателни решетки във вакуумни сушилни и в барабанни сушилни, когато са студени. материалът взаимодейства с нагретите елементи на вътрешните устройства.
Подходът към проблемите на преноса на топлина в технологията за сушене се различава от подхода в други отрасли на инженерството. В машиностроенето формата и размерите на топлопренасящите и топлоприемащите елементи в повечето случаи са добре известни (тръби, плочи и др.). В сушилните, геометричната форма на повечето селскостопански продукти, подложени на сушене, е изключително разнообразна, така че е трудно да се опише аналитично с достатъчна степен на точност.
Друга трудност е, че зоната на изпарение на влагата в материала непрекъснато се движи и зависи от условията на процеса. Поради тази причина в сушилните инсталации, повече отколкото във всяка друга техническа област, експерименталните изследвания формират основата за изчисляване и проектиране на устройства.
Основните закони на топлообмена, изложени по-долу, ще бъдат представени до степента, необходима за пълното разбиране на процесите, протичащи в селскостопанските сушилни.
Топлопроводимостта като метод за пренос на топлина
Преносът на топлина чрез проводимост се осъществява в твърди тела, неподвижни течности и газове поради преноса на енергия под формата на топлина от един елементарна частицана друг. Топлината се прехвърля от зона с висока температура към област с по-ниска температура. В стационарно състояние плътността на топлинния поток между две успоредни повърхности на тялото зависи от температурната разлика, дебелината на стената и топлофизичната константа - топлопроводимост К (фиг. 3.13):
Ориз. 3.13. Топлопроводимост на плоска стена
q е плътността на топлинния поток, kcal/(m2 h);
λ – топлопроводимост, kcal/(m h ºС);
U1, U2 – температура на първата и втората повърхности, ºС;
s – дебелина на стената, m
При хомогенно ограничено тяло плоски повърхности, температурата между тях в установения топлинен режим спада по линеен закон. За
тела със сложна структура, процесът в слой с безкрайно малка дебелина ds се описва с уравнение от вида
където dυ е температурната разлика в слой с безкрайно малка дебелина, °С. Знакът минус в уравнението показва, че топлинният поток е насочен към по-ниска температура.
За да се направят изводи за процеса в цялото тяло въз основа на разглеждането на процеса в слой с безкрайно малка дебелина, е необходимо да се извърши интегриране при определени гранични условия.
Конвекция (метод на пренос на топлина)
Преносът на топлина чрез конвекция по същество включва два процеса (Фигура 3.17):
1) пренос на топлина чрез топлопроводимост от повърхността на твърдо тяло през ламинарен граничен слой до околността на ядрото на турбулентния поток;
2) пренос на топлина чрез турбулентно пренасяне от ламинарния граничен слой към ядрото на турбулентния поток.
Сушенето се характеризира с обратна посока на топлинния поток: от изсушаващия агент към повърхността на твърдото вещество. Уравнението за пренос на топлина свързва температурната разлика между потока и повърхността на тялото с плътността на топлинния поток:
където е коефициентът на топлопреминаване, kcal/(m2 h °C);
UL;U0 - температура на стената и в ядрото на потока, °C.
Ориз. 3.17. Температурен профил по време на пренос на топлина от турбулентен поток към повърхността на твърдо тяло през ламинарен граничен слой: UL - температура в сърцевината на потока; U0 - температура на повърхността на тялото
За да се разберат процесите на конвективен топлопренос, е необходимо да се прави разлика между елементарни процеси (обтичане около единични тела) и сложни процеси (пренос на топлина в слой от насипни материали, насрещен и прав поток и др.).
Ламинарният граничен слой, сърцевината на турбулентния поток, преносът на топлина чрез термична проводимост и турбулентно смесване, както и преносът на маса в граничния слой в посоки напред и назад са взаимосвързани и имат различни ефекти един върху друг. Тези процеси могат да бъдат описани с помощта на уравненията на баланса на обмена на енергия и маса. За описанието е целесъобразно да се въведат безразмерни критерии, които свързват много физически и технологични параметри. С помощта на такива критерии реалните физически зависимости могат да бъдат описани по-просто и по-ясно, като същевременно се отказва директното използване на физическите параметри, които характеризират процеса.
радиация пренос на топлина чрез радиация
Преносът на топлина чрез лъчение (например с инфрачервено отопление) възниква, когато се пренася енергия. електромагнитни вълни от едно тяло към друго. В този случай нито твърд, нито течен, нито газообразен носител участва в предаването на енергия чрез излъчване. В съответствие със закона на Стефан-Болцман, енергията, излъчвана от тялото в околното пространство, е пропорционална на неговата температура (в градуси Келвин) на четвърта степен:
q е плътността на енергийния поток на лъчение, kaal/(m2 x);
C е излъчвателната способност на тялото;
Т - температура, К.
Ако доближим две тела с различни температури едно до друго (фиг. 3.21), тогава разликата между погълнатата и излъчената енергия на всяко от тези тела се оценява от уравнението
Q = A1 С12[( T 1 / 100)4 – (T2 / 100)4] = A2 C21[( T 1 / 100)4 – (Т2 / 100)4],
където Q- топлинен поток на енергия на излъчване, kcal/h; A1, A2 - излъчваща повърхност на тела 1 и 2; C12, C21 - коефициенти на излъчване, kcal/[m2-h (K/100)4]. Коефициентите C12 или C21, базирани на представянето на емисионната способност на отделните тела, се получават от следните уравнения:
1 / C12 \u003d 1 / C1 + A1 / A2 (1 / C2 - 1 / Cs);
1 / C21 \u003d 1 / C2 + A2 / A1 (1 / C1 - 1 / Cs);
Ориз. 3.22. Плътност на потока на радиационна енергетика между тела, нагрети до различни температури (при C=4,0)
Фигура 3.23. Разпределение на температурата в керамична плоча при нагряване от поток от инфрачервени лъчи (според работата)
където Cs е излъчвателната способност на черното тяло; Cs= 4,96 kcal/[m2-h (K/100)4].
Таблиците често дават стойността на относителната характеристика (Таблица 3.10)
На фиг. Фигура 3.22 показва зависимостта на плътността на енергийния поток на лъчение от температурата υ1 и υ2 при предположението, че C12 = C21 = 4 kcal/[m2-h (K/100)4]. От графиките се вижда, че при големи температурни разлики енергията на излъчване зависи само от температурата на по-горещото тяло.
От особен интерес е процесът на топлоснабдяване с помощта на радиация в сушилните инсталации, което се дължи на възможността за проникване на радиационна енергия в различни среди. Дълбочината на проникване на топлинните потоци по време на излъчване зависи от вида на материала и вида на излъчването. За капилярно-порести тела от органичен произход тази дълбочина е 0,1-2 mm.
Поради факта, че необходима топлинасе освобождава частично вътре в тялото, а не само на повърхността му, при определени условия на повърхността, плътността на топлинния поток може да се увеличи многократно.
Таблица 3.10 Коефициентът на излъчване на вещество по Шмид
|
ВЕЩЕСТВО |
Температура, °С |
Коефициент на излъчване ε = ° С/ Cs |
|
Злато, сребро, мед полирани |
||
|
полиран, леко оксидиран |
||
|
шлайфан |
||
|
почерняла (окислена) |
||
|
чисто смляно |
||
|
силно окислен |
||
|
Изгорена глина |
||
|
Ледът е гладък, водата |
||
|
Лед, грапава повърхност |
||
Според А. В. Ликов плътността на енергийния поток например може да се увеличи от 750 kcal/(m2-h) за конвекция до 22 500 kcal/(m2-h) за радиация. На фиг. 3.23 показва в графична форма процеса на нагряване на тялото с помощта на енергия на излъчване. От графиката ясно се вижда, че Термална енергияпървоначално се освобождава само вътре в тялото, тъй като в противен случай максималната температура би трябвало да бъде на повърхността на тялото.
Контактен топлообмен
Контактен топлопренос се наблюдава, когато две тела с различни температури в началния момент от време влизат в контакт едно с друго, в резултат на което температурата на тези тела клони към някаква обща средна температура. На практика топлообмен от този вид може да се намери върху нагрети или нагрети повърхности по време на изливане, вибрация, плъзгане на изсушения материал.
В първия момент от време след контакта на две тела, които първоначално са имали различни температури, на повърхността на техния контакт се установява средна температура, означена с U0. Стойността се нарича топлинна активност на тялото. при което:
Средната стойност на приведения коефициент на топлопреминаване, отн. към времевия интервал t и температурната разлика U0-U∞ (където - U∞ е началната температура на студеното тяло), се изчислява по формулата.
При краткотраен контакт средната стойност на намаления коефициент на топлопреминаване може да бъде доста висока.
Пренос на топлина при нагряване в променливо електромагнитно поле.
Ако две метални пластини, разделени на известно разстояние една от друга, се поставят в променливо електромагнитно поле, тогава между тях ще се появи променлив ток в зависимост от силата на полето и капацитета
Фигура 3.25. Промяна на диелектричната проницаемост v и тангенса на диелектричните загуби tgδ като функция на честотата fпроменливо електромагнитно поле и съдържание на влага в борова дървесина (според работата)
Ако между плочите на кондензатора се постави материал, тогава капацитивният ток ще се увеличи пропорционално на диелектричната проницаемост ε на материала. Водата, съдържаща се в селскостопанските продукти, в сравнение с тяхната суха маса, има висока диелектрична константа (при температура 0 ° C ε = 80), така че константата e може да се използва за измерване на съдържанието на влага в материала.
Чисто капацитивният ток не нагрява мокрия материал. Фазово изместените токове вътре в материала също имат активен компонент. Стойността, изразена чрез съотношението на активните и капацитивните компоненти, се нарича тангенс на ъгъла на диелектричните загуби:
IR е активната съставка на силата на тока, A; IC - капацитивен компонент на силата на тока, A; U - работно напрежение, V; R - активно съпротивление, Ohm; w- кръгова честота, 1/s; C - капацитет, F; ε - диелектрична константа; f- честота Hz.
Освобождаването на топлина в материала се дължи само на активния компонент на тока:
Ако изразим напрежението по отношение на силата на полето E (напрежение на сантиметър от разстоянието, разделящо плочите), тогава можем да получим израз, характеризиращ силата на обемно освобождаване на топлина:
Q - отделяне на топлина, kcal/h; V е обемът на кондензатора, cm3; E - напрежение електрическо поле, V/cm.
Загубите, определени от tgδ и диелектричната константа e, до голяма степен зависят от съдържанието на влага в материала и честотата на промяна електромагнитно поле(Фиг. 3.25) . Вече при относително ниско съдържание на влага и двата горни параметъра се увеличават значително. Това създава необходимите условия за така нареченото диелектрично сушене. В същото време генерирането на топлина става особено голямо там, където се съдържа най-много влага. В резултат на това на такива места влагата се изпарява по-бързо. Освен това в този случайматериалът се дехидратира първо отвътре, което има голямо значениеза да се предотврати разрушаването му от напреженията на свиване (при сушене на дърво), наблюдавани при конвенционалните методи на сушене, когато материалът изсъхва първо отвън, а след това отвътре.
При атмосферно налягане температурата във мокрия материал се повишава до около 100°C и остава постоянна на това ниво. Ако влагата се изпари в толкова голямо количество, че материалът е в хигроскопичната област, тогава температурата ще се повиши допълнително. В резултат на това сърцевината на материала може да се овъгли, докато външните му слоеве са все още мокри.
Диелектричното или високочестотното сушене не намира широко приложение не само поради големите капиталови инвестиции и разходите за висококвалифицирана поддръжка, но и поради високата енергоемкост на процеса. Топлинната енергия, необходима за изпаряването на влагата, се получава в резултат на преобразуване на електрическа енергия, докато преобразуването на енергия е свързано със значителни загуби.
Теорията на топлообмена изучава моделите на разпределение и пренос на топлинна енергия. Обменът на енергия под формата на топлина възниква при наличие на температурна разлика между отделни тела или части от едно и също тяло и продължава, докато температурата на двете тела се изравни. Тъй като температурата е мярка за вътрешна енергия, следователно по време на пренос на топлина възниква увеличаване на вътрешната енергия на едно (студено) тяло поради намаляването му в друго тяло (горещо).
Процесът на пренос на топлина е естествен и необратим, т.е. винаги протича в една посока: от горещо тяло към студено.
Има три вида пренос на топлина: проводимост, конвекция и излъчване.
Топлопроводимост- процес на разпространение на топлина в твърди тела и течности в покой. В диелектриците (в материали, които не провеждат електричество) топлинната енергия се пренася чрез трептения кристална решетка, а в металите - главно поради движението на свободните електрони в решетката. Топлопроводимостта в чист вид се наблюдава само в твърди вещества.
Конвекция- пренос на топлина при движение на отделни маси и обеми течни и газообразни тела.
Обикновено конвекцията и топлопроводимостта се случват едновременно. Такъв процес се нарича конвективен пренос на топлина. Предаването на топлина от едно тяло към друго по време на конвекция и топлопроводимост се извършва само когато те влязат в контакт.
Радиация-топлообмен между телата на разстояние във формата lu-чиста енергия. Носителите на лъчиста енергия са електромагнитни вълни (фотони). При излъчване топлинната енергия на нагрято тяло се превръща в лъчиста енергия, разпространява се в околното пространство, пада върху друго тяло и отново се превръща в топлинна енергия.
Решаването на проблемите на топлообмена винаги има специфичен характер, недвусмислено обусловен от условията на процесите.
Тези условия включват:
- геометрични характеристики на повърхностите на телата и пространството около тях (форми, размери);
- особености на процеса във времето;
- гранични характеристики на процеса на пренос на топлина, т.е. стойността и разпределението физични величинив интерфейсите на телата, участващи в преноса на топлина;
- физически и Химични свойстваи параметри на средата, в която се осъществява преносът на топлина.
Въпреки това, тези условия на уникалност не винаги позволяват да се получи аналитично решение на проблемите в теорията на топлообмена. Ето защо за изучаването на процесите на топлообмен физическите експерименти и обобщаването на резултатите от тях са от изключително значение.
Топлопроводимост
Характеристиките на явленията на топлопроводимост са свързани с разпределението на температурата в телата. В общия случай температурата на телата може да се променя във всички точки на пространството с времето. Наборът от моментни температурни стойности във всички точки на изследваното пространство се нарича температурно поле.
Температурното поле е хомогенен, ако температурата е еднаква във всички точки на пространството, и разнородниако е различно. Наричат се повърхности с точки с еднаква температура изотермичен, а напречното сечение на тези повърхности - изотерми(фиг. 3.1) Топлината не се разпространява по изотермични повърхности. Най-бързата промяна на температурата настъпва в посоката на нормалните към изотермичните повърхности.
Ориз. 3.1. температурно поле
Границата на отношението на температурната разлика на две изотерми към разстоянието между тях по нормата, когато нклони към нула се нарича градиент
температурен обеми се обозначава с град T.
Градиент - мярка за най-голям интензитет на промяна на температурата; това е векторно количество. Посоката, в която температурата се повишава, се счита за положителна. Количествено, интензивността на топлообмена се характеризира с плътност на топлинния поток, тоест количеството топлина, преминаващо през единица повърхност за единица време. Според закона на Фурие - основният закон за топлопроводимостта - плътността на топлинния поток W / m 2 се определя по формулата
където Q- количество топлина, J; Е- Площ, m2 ; τ - време, ч
Законът на Фурие гласи, че плътността на топлинния поток е пропорционална на температурния градиент
където λ - коефициент на топлопроводимост, характеризиращ интензивността на разпространение на топлината, т.е. количеството топлина, преминаващо в резултат на топлопроводимостта за единица време през единица топлообменна повърхност, когато температурата спада с 1 градус на единица дължина на нормалната спрямо изотермичната повърхност , W/mK.
Знакът минус от дясната страна показва обратната посока на топлинния поток и температурните промени в тялото. Коефициентът на топлопроводимост зависи от химичен съставтела, тяхната структура, плътност, влажност, налягане, температура и е от порядъка на 0,01 до 400 W / (m K).
Тела, които имат λ <0,2 Вт/(м·К), называются топлоизолатори. Добри проводници на топлина са телата, които имат λ >20 W/(mK).
Най-малки стойностигазовете имат коефициент на топлопроводимост (от 0,01 до 1 W / (m K)), най-големият - метали (сребро - 410, мед -
360, алуминий - 200-300, стомана - 45-55 W / (m K)).
Топлинното уравнение на Фурие е математическо описание на процеса на промяна на температурата с времето във всяко място на тялото, причинено от произтичащия топлопренос.
Уравненията на топлопроводимостта обикновено се решават аналитично за специфични условия на процеса, като се използват известни условия за уникалност.
На практика човек трябва да се сблъска с различни проблеми на топлопроводимостта, които условно се разделят на три групи:
1) стационарна топлопроводимост, когато разпределението на температурата в тялото остава непроменено във времето и съответно плътността на топлинния поток е постоянна. Топлообменни процеси в отоплителни уреди и апарати, ограждащи конструкции на строителни конструкции при дълготрайни постоянни температури на открито и вътрешна средаможе да се счита за независим от времето;
2) нестационарна топлопроводимост, когато температурното поле се променя с времето. Нестационарна топлопроводимост се наблюдава например при нагряване и охлаждане на тела, когато преди началото на термичното излагане цялата телесна маса има еднаква температура;
3) температурни вълни в тела, подложени на периодични термични въздействия. Например годишните температурни колебания в повърхностния слой на земята, дневните колебания на температурата на външния въздух и под тяхно влияние температурата на повърхностите на ограждащите конструкции.
По-долу е конкретно решение на уравнението на Фурие за два проблема за стационарна топлопроводимост.
1. Едномерно разпределение на топлината в плоска стена (фиг. 3.2). Топлинният поток в плоска стена е равен на
Новини Е 1 и Е 2, °С.
За сандвич стена с дебелини на слоя δiи коефициенти на топлопроводимост λ iуравнението на топлинния поток се обобщава, както следва:
където α - коефициент на конвективен топлопренос, характеризиращ интензивността на топлопреминаване чрез конвекция, W / (m 2 K); T- температура на течността далеч от стената, °С; t st- повърхностна температура на стената, °С; Е- топлинна повърхност на тялото, m 2.
Една от основните задачи на теорията на конвективния топлопренос е да се определи стойността на коефициента на топлопреминаване за конкретни условия на процеса.
По сумата α много фактори влияят, основните от които са естеството на конвекцията, начина на движение, физичните свойства на течността, геометричните характеристики на повърхността на телата, участващи в топлообмен.
Конвекцията се нарича Безплатно, ако възниква поради разликата в налягането (плътността) поради нехомогенността на температурното поле на течността. Феноменът на свободна конвекция може да се наблюдава върху повърхността на нагрети тела, когато въздушните частици, разположени в близост до тези повърхности, се нагряват, се издигат нагоре и на тяхно място се втурват студени въздушни маси (фиг. 3.4).
Свободната конвекция възниква естествено във всеки обем, където има тела с различни температури, и протича толкова по-интензивно, колкото по-голяма е температурната разлика.
Ориз. 3.4. Свободна конвекция: а- вертикална отопляема стена; b- хоризонтална плоча; в– хоризонтална печка, нагрява се отдолу
принудителна конвекциянаречен пренос на топлина по време на движение на течност под действието на външни сили, например, създадени от помпа, вентилатор, компресор. В този случай интензивността на топлообмена е толкова по-висока, колкото по-голяма е скоростта на потока на течността, измиваща повърхностите на телата.
Причината за увеличаване на интензивността на топлообмена с увеличаване на скоростта на потока е промяната в режима на движение на течността, преходът от ламинарно към турбулентно движение (виж фиг. 3.1).
При ламинарен поток топлинната енергия се пренася чрез топлопроводимост и напречна масова дифузия. Интензивността на такъв трансфер на енергия зависи от свойствата на средата и колкото по-малко, толкова по-голяма е дебелината на потока. При турбулентен поток енергията се пренася от течността към стената чрез смесване на маси и само в граничния слой - чрез топлопроводимост. Поради това интензивността на топлообмена в турбулентния поток е по-висока, отколкото в ламинарен.
Ламинарни и турбулентни флуидни потоци могат да се наблюдават както при принудително, така и под свободно движение. В последния случай обаче тези режими се създават изключително от условията на топлинно действие, докато при принудително движение се използват изкуствени методи за въздействие върху потока на течността.
Интензивността на конвективния топлообмен също зависи от физичните свойства на течността, характеризиращи се със стойността на коефициентите на топлопроводимост и топлопроводимост, топлинен капацитет, коефициенти на обемно разширение и кинематичен вискозитет.
Геометричните условия на конвективния пренос на топлина се определят от формата на тялото, неговите размери и естеството на повърхността, обтичана от течността.
Според геометричните условия се разграничава преносът на топлина по време на вътрешния поток на течност в тръби, канали ( вътрешна задача) и външно измиване на повърхности от поток (външна задача). При външен поток потокът може да бъде надлъжен по отношение на най-голям размерповърхност или напречно (например, когато тече около сноп от тръби, разположени перпендикулярно на посоката на потока).
Във всички случаи геометричните условия оказват значително влияние върху разпределението на скоростите и температурите в потока, върху начина на движение, променяйки интензивността на топлообмена. За да се вземат предвид тези фактори, е необходимо да се уточнят характерните размери и форма на тялото.
Стойностите на коефициентите на топлопреминаване в различни задачиконвективният топлопренос се определя чрез решаване на критериални уравнения, с помощта на които се обобщават данните от експерименталните изследвания, например за свободна конвекция, уравнение от формата
където не л -Критерий на Нуселт; α -коефициент на конвективна топлина-
Грасхоф; ж- ускорение на гравитацията, m/s 2 ; β - обемен коефициент
Рейнолдс; ОТ, н, м- експериментални коефициенти, - скорост на течността, m/s.
Електротермичните процеси са свързани с преобразуването на електрическа енергия в топлинна енергия с пренос на топлинна енергия вътре в тялото (твърдо, течно, газообразно) или от един обем в друг според законите за пренос на топлина.
Топлообмен (топлообмен) е пренос на топлина от една част на пространството в друга, от едно тяло към друго или вътре в тялото от една негова част в друга. Незаменимо условие за топлообмен е наличието на температурна разлика между отделни тела или участъци от тела.
Има стационарен и нестационарен топлообмен (фиг. 2.1).
Има три вида пренос на топлина, три различни метода за пренос на топлина (фиг. 2.2).
Топлинната проводимост се дължи на топлинното движение и енергийното взаимодействие на микрочастиците (молекули, атоми, електрони), частиците с по-висока енергия (по-нагрети и следователно по-подвижни) отдават част от енергията си на по-малко нагрети (по-малко подвижни). Скоростта на топлообмен в този случай зависи от физични свойствавещество, по-специално върху неговата плътност. За плътни тела (метал) скоростта на топлопреминаване е по-висока, за порести (полистирол) - по-малко.
Топлинният поток през плоска стена в стационарно състояние (определен от закона на Фурие) е пропорционален на температурната разлика на повърхността на стената и обратно пропорционален на топлинното съпротивление на стената.
Когато топлината се пренася чрез радиация, енергията се пренася във формата електромагнитни вълни. Този тип топлообмен може да се осъществи само в среда, прозрачна за тези лъчи.
Всяко непрозрачно нагрято тяло в прозрачна среда излъчва лъчиста енергия във всички посоки, разпространяваща се със скоростта на светлината. При среща с други напълно или частично непрозрачни тела тази лъчиста енергия отново се преобразува (изцяло или частично) в топлина, нагрявайки тези тела. Следователно лъчистият топлопренос се придружава от двойна трансформация на енергия - топлинна енергия в лъчиста енергия и след това отново лъчиста енергия в топлинна енергия.
Ако температурите на телата, между които се извършва радиационен топлообмен, са различни, тогава в резултат на топлообмен между тях топлината ще се прехвърли от по-нагрято тяло към по-малко нагрято, едно от тях ще се нагрее и другият ще намали температурата си.
Когато нагрято тяло излъчва в неограничено пространство (с едностранно пренасяне на топлина), лъчистият топлинен поток е пропорционален на постоянната излъчвателна способност на напълно черно тяло, степента на чернота на тялото, числено равна на неговата абсорбираща способност и абсолютната температура на нагрятото тяло.
Ориз. 2.2. Класификация на преноса на топлина според метода на пренос на топлина
Аналитичното решение на проблемите, свързани с конвективния топлопренос, представлява значителни трудности, тъй като този процес е описан сложна система диференциални уравнения. Следователно проблемите на конвективния топлопренос се решават с помощта на експериментално получени константи и величини. Топлинният поток на конвективния топлопренос се определя въз основа на закона на Нютон-Рихман. Съгласно този закон топлинният поток е право пропорционален на миещата повърхност, начина на движение на охлаждащата течност (коефициента на топлопреминаване) и температурната разлика между стената и газа или течността.
Днес ще се опитаме да намерим отговора на въпроса „Топлопреносът е?..“. В статията ще разгледаме какъв е процесът, какви видове съществуват в природата и също така ще разберем каква е връзката между преноса на топлина и термодинамиката.
Определение
Топлообменът е физичен процес, чиято същност е преносът.Обменът се осъществява между две тела или тяхната система. В този случай предпоставка е предаването на топлина от по-нагрети тела към по-малко нагрети.
Характеристики на процеса
Преносът на топлина е същия тип явление, което може да възникне както при директен контакт, така и при разделящи се прегради. В първия случай всичко е ясно, във втория телата, материалите и медиите могат да се използват като бариери. Пренос на топлина ще се случи в случаите, когато система, състояща се от две или повече тела, не е в състояние термично равновесие. Тоест един от обектите има по-висока или по-ниска температура в сравнение с другия. Тук се осъществява преносът на топлинна енергия. Логично е да се предположи, че ще приключи, когато системата достигне състояние на термодинамично или топлинно равновесие. Процесът се случва спонтанно, което може да ни каже
Видове
Преносът на топлина е процес, който може да бъде разделен на три начина. Те ще имат базисен характер, тъй като в тях могат да се разграничат реални подкатегории, които имат свои характерни черти, наред с общи модели. Към днешна дата е обичайно да се разграничават три.Това са топлопроводимост, конвекция и радиация. Да започнем с първия, предполагам.
Начини
Това е името на имота на този или онзи материално тялоизвършва пренос на енергия. В същото време се прехвърля от по-горещата част към по-студената. Това явление се основава на принципа на хаотичното движение на молекулите. Това е така нареченото Брауново движение. Колкото по-висока е температурата на тялото, толкова по-активно се движат молекулите в него, тъй като имат повече кинетична енергия. В процеса на топлопроводимост участват електрони, молекули, атоми. Осъществява се в тела, отделните части на които имат различна температура.
Ако дадено вещество е способно да провежда топлина, можем да говорим за наличието на количествена характеристика. В този случай неговата роля се играе от коефициента на топлопроводимост. Тази характеристика показва колко топлина ще премине през единици показатели за дължина и площ за единица време. В този случай температурата на тялото ще се промени точно с 1 К.
По-рано се смяташе, че обменът на топлина в различни тела (включително топлопредаването на ограждащи конструкции) се дължи на факта, че така наречените калорични потоци от една част на тялото в друга. Никой обаче не откри признаци за действителното му съществуване и когато молекулярно-кинетичната теория се разви до определено ниво, всички забравиха да мислят за калориите, тъй като хипотезата се оказа несъстоятелна.
Конвекция. Воден топлопренос
Този метод на обмен на топлинна енергия се разбира като пренос чрез вътрешни потоци. Нека си представим чайник с вода. Както знаете, по-горещите въздушни течения се издигат към върха. И студени, по-тежки потъват надолу. Така че защо водата трябва да е различна? При нея е абсолютно същото. И в процеса на такъв цикъл всички слоеве вода, независимо колко са, ще се нагреят, докато настъпи състояние на топлинно равновесие. При определени условия, разбира се.
Радиация
Този метод се основава на принципа на електромагнитното излъчване. Идва от вътрешна енергия. Няма да навлизаме много в теорията, просто ще отбележим, че причината тук се крие в подредбата на заредените частици, атоми и молекули.
Прости проблеми с топлопроводимостта
Сега нека поговорим как изглежда на практика изчисляването на топлопреминаването. Нека решим една проста задача, свързана с количеството топлина. Да кажем, че имаме маса вода, равна на половин килограм. Началната температура на водата е 0 градуса по Целзий, крайната температура е 100. Нека намерим количеството топлина, което сме изразходвали, за да загреем тази маса материя.
За да направим това, се нуждаем от формулата Q \u003d cm (t 2 -t 1), където Q е количеството топлина, c е специфичната m е масата на веществото, t 1 е първоначалната, t 2 е крайна температура. За водата стойността на c е таблична. Специфична топлинаще бъде равна на 4200 J / kg * C. Сега заместваме тези стойности във формулата. Получаваме, че количеството топлина ще бъде равно на 210 000 J, или 210 kJ.
Първи закон на термодинамиката
Термодинамиката и преносът на топлина са взаимосвързани с някои закони. Те се основават на знанието, че промените във вътрешната енергия в системата могат да бъдат постигнати по два начина. Първият е механична работа. Второто е предаването на определено количество топлина. Между другото, първият закон на термодинамиката се основава на този принцип. Ето неговата формулировка: ако определено количество топлина е било предадено на системата, то ще бъде изразходвано за извършване на работа върху външни тела или за увеличаване на вътрешната й енергия. Математическа нотация: dQ = dU + dA.
Плюсове или минуси?
Абсолютно всички величини, които са включени в математическата нотация на първия закон на термодинамиката, могат да бъдат записани както със знак плюс, така и със знак минус. Освен това техният избор ще бъде продиктуван от условията на процеса. Да приемем, че системата получава известно количество топлина. В този случай телата в него се нагряват. Следователно газът се разширява, което означава, че работата е свършена. В резултат на това стойностите ще бъдат положителни. Ако количеството топлина се отнеме, газът се охлажда и върху него се извършва работа. Стойностите ще бъдат обърнати.
Алтернативна формулировка на първия закон на термодинамиката
Да приемем, че имаме някакъв периодично работещ двигател. При него работният орган (или система) извършва кръгов процес. Обикновено се нарича цикъл. В резултат на това системата ще се върне в първоначалното си състояние. Би било логично да се предположи, че в този случай промяната на вътрешната енергия ще бъде нула. Оказва се, че количеството топлина ще бъде равно на извършената работа. Тези разпоредби ни позволяват да формулираме първия закон на термодинамиката по различен начин.
От него можем да разберем, че перпетуум двигател от първи вид не може да съществува в природата. Тоест устройство, което работи в по-голямо количество от енергията, получена отвън. В този случай действията трябва да се извършват периодично.
Първи закон на термодинамиката за изопроцесите
Разгледайте първо изохоричния процес. Поддържа обема постоянен. Това означава, че промяната в обема ще бъде нула. Следователно работата също ще бъде равна на нула. Нека изхвърлим този член от първия закон на термодинамиката, след което получаваме формулата dQ = dU. Това означава, че при изохоричен процес цялата топлина, подадена към системата, отива за увеличаване на вътрешната енергия на газа или сместа.
Сега нека поговорим за изобарния процес. Постоянна стойноств него има натиск. В този случай вътрешната енергия ще се променя успоредно с работата. Ето оригиналната формула: dQ = dU + pdV. Лесно можем да изчислим извършената работа. То ще бъде равно на израза uR(T 2 -T 1). Между другото, това е физически смисълуниверсална газова константа. При наличие на един мол газ и температурна разлика от един Келвин, универсалната газова константа ще бъде равна на работата, извършена в изобарен процес.
Топлообмен- това е процес на промяна на вътрешната енергия, без да се извършва работа върху тялото или самото тяло.
Преносът на топлина винаги се извършва в определена посока: от тела с по-висока температура към тела с по-ниска.
Когато температурите на телата се изравнят, топлообменът спира.
Топлообменът може да се извърши по три начина:
- топлопроводимост
- конвекция
- радиация
Топлопроводимост
Топлопроводимост- феноменът на прехвърляне на вътрешна енергия от една част на тялото в друга или от едно тяло в друго с техния пряк контакт.
Металите имат най-висока топлопроводимост- имат стотици пъти повече от водата. Изключенията са живакът и оловото., но и тук топлопроводимостта е десетки пъти по-голяма от тази на водата.
При спускане на метална игла в чаша с топла водамного скоро краят на спицата също се нагорещи. Следователно вътрешната енергия, както всеки вид енергия, може да се прехвърля от едно тяло към друго. Вътрешната енергия също може да се прехвърля от една част на тялото в друга. Така например, ако единият край на пирон се нагрее в пламък, тогава другият му край, който е в ръката, постепенно ще се нагрее и ще изгори ръката.
Загряването на тиган на електрическа печка става чрез топлопроводимост.
Нека проучим това явление, като направим серия от експерименти с твърди вещества, течности и газове.
Нека поставим края на дървена пръчка в огъня. Ще се запали. Другият край на пръчката, който е отвън, ще бъде студен. означава, дървото има ниска топлопроводимост.
Поднасяме края на тънка стъклена пръчка към пламъка на спиртна лампа. След известно време ще се загрее, а другият край ще остане студен. Следователно и стъклото има ниска топлопроводимост.
Ако нагреем края на метален прът в пламък, много скоро целият прът ще стане много горещ. Вече не можем да го държим в ръцете си.
означава, металите провеждат топлина добре, тоест имат висока топлопроводимост. Среброто и медта имат най-висока топлопроводимост..
Топлопроводимост при различни веществаразлично.
Вълна, коса, птичи пера, хартия, корк и други порести тела имат лоша топлопроводимост.Това се дължи на факта, че между влакната на тези вещества се съдържа въздух. Вакуумът (пространство, освободено от въздух) има най-ниска топлопроводимост.Това се обяснява с факта, че топлопроводимостта е преносът на енергия от една част на тялото към друга, което се случва по време на взаимодействието на молекули или други частици. В пространство, където няма частици, топлопроводимостта не може да се осъществи.
Ако има нужда от защита на тялото от охлаждане или нагряване, тогава се използват вещества с ниска топлопроводимост. И така, за тенджери, тигани, пластмасови дръжки. Къщите са построени от трупи или тухли, които имат лоша топлопроводимост, което означава, че са защитени от охлаждане.
Конвекция
Конвекцияе процес на пренос на топлина, осъществяван чрез пренос на енергия чрез потоци течност или газ.
Пример за явлението конвекция: малко хартиено колело, поставено над пламъка на свещ или електрическа крушка, започва да се върти под въздействието на издигащ се нагорещен въздух. Това явление може да се обясни по този начин. Въздухът в контакт с топла лампа се нагрява, разширява и става по-малко плътен от студения въздух около него. Силата на Архимед, действаща върху топлия въздух от студената страна нагоре, е по-голяма от силата на гравитацията, действаща върху топлия въздух. В резултат на това нагрятият въздух "плува", издига се нагоре и на негово място заема студен въздух.
При конвекция енергията се пренася от самите струи газ или течност.
Има два вида конвекция:
- естествен (или безплатен)
- принуден
За да възникне конвекция в течности и газове, е необходимо те да се нагряват отдолу.
Конвекция не може да възникне в твърди тела.
Радиация
Радиация- електромагнитно излъчване, излъчвано поради вътрешна енергия от вещество при определена температура.
Силата на топлинно излъчване на обект, който отговаря на критериите за черно тяло, се описва с законът на Стефан-Болцман.
Описано е съотношението на емисионните и абсорбционните способности на телата Радиационният закон на Кирхоф.
Преносът на енергия чрез излъчване се различава от другите видове топлопредаване: то може да се извърши в пълен вакуум.
Всички тела излъчват енергия: както силно нагрята, така и слабо, например човешкото тяло, печка, електрическа крушка и т.н. Но колкото по-висока е температурата на тялото, толкова повече енергия предава чрез излъчване. В този случай енергията се абсорбира частично от тези тела и частично се отразява. При поглъщане на енергия телата се нагряват по различен начин в зависимост от състоянието на повърхността.
Телата с тъмна повърхност поглъщат и излъчват енергия по-добре от телата със светла повърхност. В същото време телата с тъмна повърхност се охлаждат по-бърз начинрадиация от телата със светла повърхност. Например в лек чайник топла водазапазва топлината по-дълго, отколкото на тъмно.
