METODE PRIJENOSA TOPLINE.
Kod toplinskog sušenja razlikuju se dva procesa:
1) isparavanje vlage koju treba ukloniti;
2) uklanjanje nastale pare s površine materijala.
Za isparavanje 1 kg vlage potrebno je u područje isparavanja dovesti sasvim određenu količinu topline. Stoga je prijenos topline osnova radnih procesa koji se odvijaju u sušarama. U praksi se u većoj ili manjoj mjeri ostvaruju sva tri glavna oblika prijenosa topline: 1) toplinska vodljivost; 2) konvekcija; 3) zračenje.
Osim toga, kod mnogih sušara od velike je važnosti posebna vrsta prijenosa topline, naime prijenos topline kratkotrajnim kontaktom, koji se događa npr. kod sušara s valjcima, na grijaćim rešetkama vakuumskih sušara i kod bubnjastih sušara kada hladni materijal stupa u interakciju s grijanim elementima unutarnjih uređaja.
Pristup problemima prijenosa topline u tehnologiji sušenja razlikuje se od pristupa u drugim granama tehnike. U strojarstvu su oblik i dimenzije elemenata za prijenos i primanje topline u većini slučajeva dobro poznati (cijevi, ploče i sl.). U sušarama je geometrijski oblik većine poljoprivrednih proizvoda podvrgnutih sušenju izrazito raznolik, pa ga je teško s dovoljnim stupnjem točnosti opisati analitičkim ovisnostima.
Druga poteškoća je što se zona isparavanja vlage u materijalu stalno kreće i ovisi o uvjetima procesa. Iz tog razloga, u sušarama, više nego u bilo kojem drugom tehničkom području, eksperimentalne studije čine osnovu za proračun i dizajn uređaja.
Osnovne zakonitosti prijenosa topline, navedene u nastavku, bit će prikazane u mjeri potrebnoj za potpuno razumijevanje procesa koji se odvijaju u poljoprivrednim sušarama.
Toplinska vodljivost kao način prijenosa topline
Prijenos topline kondukcijom događa se unutar čvrstih tijela, nepokretnih tekućina i plinova zbog prijenosa energije u obliku topline s jedne elementarna čestica drugome. Toplina se prenosi iz područja visoke temperature u područje niže temperature. U stacionarnom stanju gustoća toplinskog toka između dvije paralelne površine tijela ovisi o razlici temperature, debljini stijenke i termofizikalnoj konstanti - toplinskoj vodljivosti K (sl. 3.13):
Riža. 3.13. Toplinska vodljivost ravnog zida
q je gustoća toplinskog toka, kcal/(m2 h);
λ – toplinska vodljivost, kcal/(m h ºS);
U1, U2 – temperatura na prvoj i drugoj površini, ºS;
s – debljina stijenke, m
U slučaju homogenog tijela omeđenog ravne površine, temperatura između njih u stacionarnom toplinskom režimu pada prema linearnom zakonu. Za
tijela složene strukture, proces u sloju beskonačno male debljine ds opisuje se jednadžbom oblika
gdje je dυ temperaturna razlika u sloju infinitezimalne debljine, °S. Znak minus u jednadžbi označava da je tok topline usmjeren prema nižoj temperaturi.
Da bi se na temelju razmatranja procesa u sloju beskonačno male debljine mogli zaključiti o procesu u cijelom tijelu, potrebno je izvršiti integraciju pod određenim rubnim uvjetima.
Konvekcija (metoda prijenosa topline)
Prijenos topline konvekcijom u osnovi uključuje dva procesa (Slika 3.17):
1) prijenos topline toplinskim provođenjem s površine čvrstog tijela kroz laminarni granični sloj u blizinu jezgre turbulentnog strujanja;
2) prijenos topline turbulentnim prijenosom od laminarnog graničnog sloja do jezgre turbulentnog strujanja.
Sušenje karakterizira obrnuti smjer toka topline: od sredstva za sušenje prema površini krutine. Jednadžba prijenosa topline povezuje temperaturnu razliku između protoka i površine tijela s gustoćom toplinskog toka:
gdje je koeficijent prolaza topline, kcal/(m2 h °C);
UL;U0 - temperatura na stijenci i u jezgri toka, °S.
Riža. 3.17. Profil temperature pri prijenosu topline s turbulentnog strujanja na površinu čvrstog tijela kroz laminarni granični sloj: UL - temperatura u jezgri strujanja; U0 - temperatura na površini tijela
Za razumijevanje procesa konvektivnog prijenosa topline potrebno je razlikovati elementarne procese (strujanje oko pojedinačnih tijela) i složene procese (prijenos topline u sloju rasutih materijala, protustruj i strujanje itd.).
Laminarni granični sloj, turbulentna jezgra strujanja, prijenos topline toplinskim provođenjem i turbulentnim miješanjem, kao i prijenos mase u graničnom sloju u smjeru naprijed i natrag, međusobno su povezani i imaju različite učinke jedni na druge. Ti se procesi mogu opisati pomoću jednadžbi ravnoteže izmjene energije i mase. Za opis je svrhovito uvesti bezdimenzionalne kriterije koji povezuju mnoge fizičke i tehnološke parametre. Uz pomoć takvih kriterija stvarne fizikalne ovisnosti mogu se jednostavnije i jasnije opisati, uz odbijanje izravnog korištenja fizičkih parametara koji karakteriziraju proces.
radiation prijenos topline zračenjem
Prijenos topline zračenjem (na primjer, infracrvenim grijanjem) događa se kada se energija prenosi. elektromagnetskih valova s jednog tijela na drugo. U ovom slučaju u prijenosu energije zračenjem ne sudjeluje ni čvrsti, ni tekući, ni plinoviti nosač. U skladu sa Stefan-Boltzmannovim zakonom, energija koju tijelo zrači u okolni prostor proporcionalna je njegovoj temperaturi (u stupnjevima Kelvina) na četvrtu potenciju:
q je gustoća toka energije zračenja, kaal/(m2 x);
C je emisivnost tijela;
T - temperatura, K.
Ako dva tijela s različitim temperaturama približimo jedno drugom (sl. 3.21), tada se razlika između apsorbirane i izračene energije svakog od tih tijela procjenjuje jednadžbom
Q = A1 S12[( T 1 / 100)4 – (T2 / 100)4] = A2 C21[( T 1 / 100)4 – (T2 / 100)4],
gdje Q- toplinski tok energije zračenja, kcal/h; A1, A2 - površina zračenja tijela 1 i 2; C12, C21 - koeficijenti zračenja, kcal/[m2-h (K/100)4]. Koeficijenti C12 ili C21, koji se temelje na prikazu emisivnosti pojedinih tijela, dobivaju se iz sljedećih jednadžbi:
1 / C12 \u003d 1 / C1 + A1 / A2 (1 / C2 - 1 / Cs);
1 / C21 \u003d 1 / C2 + A2 / A1 (1 / C1 - 1 / Cs);
Riža. 3.22. Gustoća toka anergije zračenja između tijela zagrijanih na različite temperature (pri C=4,0)
Slika 3.23. Raspodjela temperature u keramičkoj ploči pri zagrijavanju strujom infracrvenih zraka (prema radu)
gdje je Cs emisivnost crnog tijela; Cs= 4,96 kcal/[m2-h (K/100)4].
Tablice često daju vrijednost relativne karakteristike (tablica 3.10)
Na sl. Na slici 3.22 prikazana je ovisnost gustoće toka energije zračenja o temperaturi υ1 i υ2 uz pretpostavku da je C12 = C21 = 4 kcal/[m2-h (K/100)4]. Iz grafova je vidljivo da pri velikim temperaturnim razlikama energija zračenja ovisi samo o temperaturi toplijeg tijela.
Posebno je zanimljiv proces opskrbe toplinom uz pomoć zračenja u sušarama, što je posljedica mogućnosti prodiranja energije zračenja u različite medije. Dubina prodiranja toplinskih tokova tijekom zračenja ovisi o vrsti materijala i vrsti zračenja. Za kapilarno-porozna tijela organskog podrijetla ta je dubina 0,1–2 mm.
Zahvaljujući činjenici da potrebna toplina oslobađa se djelomično unutar tijela, a ne samo na njegovoj površini, pod određenim uvjetima na površini se gustoća toplinskog toka može višestruko povećati.
Tablica 3.10 Emisivnost tvari prema Schmidtu
|
TVAR |
Temperatura, °S |
Emisivnost ε = C/ Cs |
|
Polirano zlato, srebro, bakar |
||
|
uglačan, malo oksidiran |
||
|
brušena |
||
|
pocrnjelo (oksidirano) |
||
|
čisto mljeveno |
||
|
jako oksidirano |
||
|
Glina spaljena |
||
|
Led je gladak, voda |
||
|
Led, hrapava površina |
||
Prema A. V. Lykovu, gustoća toka energije, na primjer, može se povećati sa 750 kcal/(m2-h) za konvekciju na 22 500 kcal/(m2-h) za zračenje. Na sl. 3.23 grafički prikazuje proces zagrijavanja tijela uz pomoć energije zračenja. Iz grafikona se jasno vidi da Termalna energija se u početku oslobađa samo unutar tijela, jer bi inače maksimalna temperatura morala biti na površini tijela.
Kontaktna izmjena topline
Kontaktni prijenos topline opaža se kada dva tijela koja imaju različite temperature u početnom trenutku vremena dođu u dodir jedno s drugim, zbog čega temperatura tih tijela teži nekoj zajedničkoj prosječnoj temperaturi. U praksi se prijenos topline ove vrste može naći na zagrijanim ili zagrijanim površinama tijekom izlijevanja, vibracija, klizanja osušenog materijala.
U prvom trenutku nakon dodira dvaju tijela, koja su u početku imala različite temperature, na površini njihova dodira uspostavlja se srednja temperatura, označena s U0. Vrijednost se naziva toplinska aktivnost tijela. pri čemu:
Prosječna vrijednost reduciranog koeficijenta prolaza topline, refer. na vremenski interval t i temperaturnu razliku U0-U∞ (gdje je - U∞ početna temperatura hladnog tijela), izračunava se formulom.
Kod kratkotrajnog kontakta prosječna vrijednost smanjenog koeficijenta prijenosa topline može biti prilično visoka.
Prijenos topline tijekom zagrijavanja u izmjeničnom elektromagnetskom polju.
Ako se dvije metalne ploče na određenoj udaljenosti jedna od druge stave u izmjenično elektromagnetsko polje, tada će se između njih pojaviti izmjenična struja, ovisno o jakosti polja i kapacitetu
Slika 3.25. Promjena permitivnosti v i tangensa dielektričnog gubitka tgδ kao funkcija frekvencije f promjenjivo elektromagnetsko polje i sadržaj vlage u borovini (prema radu)
Ako se između ploča kondenzatora stavi materijal, tada će kapacitivna struja rasti proporcionalno permitivnosti ε materijala. Voda sadržana u poljoprivrednim proizvodima, u usporedbi s njihovom suhom masom, ima visoku dielektričnu konstantu (na temperaturi od 0°C ε = 80), pa se konstanta e može koristiti za mjerenje sadržaja vlage u materijalu.
Čisto kapacitivna struja ne zagrijava mokri materijal. Fazno pomaknute struje unutar materijala također imaju aktivnu komponentu. Vrijednost izražena omjerom aktivne i kapacitivne komponente naziva se tangens kuta dielektričnog gubitka:
IR je aktivna komponenta jakosti struje, A; IC - kapacitivna komponenta jakosti struje, A; U - radni napon, V; R - aktivni otpor, Ohm; w- kružna frekvencija, 1/s; C - kapacitet, F; ε - dielektrična konstanta; f- frekvencija Hz.
Oslobađanje topline u materijalu nastaje samo zbog aktivne komponente struje:
Ako napon izrazimo kao jakost polja E (napon po centimetru udaljenosti koja razdvaja ploče), tada možemo dobiti izraz koji karakterizira snagu volumetrijskog oslobađanja topline:
Q - otpuštanje topline, kcal/h; V je volumen kondenzatora, cm3; E - napetost električno polje, V/cm.
Gubici određeni tgδ i dielektričnom konstantom e uvelike ovise o sadržaju vlage u materijalu i učestalosti promjene elektromagnetsko polje(Slika 3.25) . Već pri relativno niskom sadržaju vlage, oba gore navedena parametra značajno se povećavaju. Time se stvaraju potrebni uvjeti za takozvano dielektrično sušenje. Istodobno, stvaranje topline postaje posebno veliko tamo gdje ima najviše vlage. Kao rezultat toga, na takvim mjestima vlaga brže isparava. Osim toga, u ovaj slučaj materijal se prvo dehidrira iznutra, što ima veliki značaj kako bi se spriječilo njegovo uništenje od naprezanja skupljanja (prilikom sušenja drva), uočenih tijekom konvencionalnih metoda sušenja, kada se materijal prvo suši izvana, a zatim iznutra.
Pri atmosferskom tlaku temperatura unutar mokrog materijala raste do oko 100°C i ostaje konstantna na toj razini. Ako vlaga isparava u tolikoj količini da je materijal u higroskopnom području, tada će temperatura dalje rasti. Kao rezultat toga, jezgra materijala može biti pougljenjena dok su vanjski slojevi još mokri.
Dielektrično, odnosno visokofrekventno sušenje, nema široku primjenu ne samo zbog velikih kapitalnih ulaganja i troškova visokokvalificiranog održavanja, već i zbog visokog energetskog intenziteta procesa. Toplinska energija potrebna za isparavanje vlage dobiva se kao rezultat pretvorbe električne energije, dok je pretvorba energije povezana sa značajnim gubicima.
Teorija prijenosa topline proučava obrasce distribucije i prijenosa toplinske energije. Izmjena energije u obliku topline događa se uz temperaturnu razliku između pojedinih tijela ili dijelova istog tijela i nastavlja se sve dok se temperatura oba tijela ne izjednači. Budući da je temperatura mjera unutarnje energije, stoga pri prijenosu topline dolazi do porasta unutarnje energije jednog (hladnog) tijela zbog njenog smanjenja kod drugog tijela (vrućeg).
Proces prijenosa topline je prirodan i nepovratan, to jest uvijek se odvija u jednom smjeru: od vrućeg tijela do hladnog.
Postoje tri vrste prijenosa topline: kondukcija, konvekcija i zračenje.
Toplinska vodljivost- proces širenja topline u čvrstim tijelima i tekućinama u mirovanju. Kod dielektrika (u materijalima koji ne provode struju) toplinska energija se prenosi oscilacijama kristalna rešetka, au metalima - uglavnom zbog kretanja slobodnih elektrona u rešetki. Toplinska vodljivost u svom čistom obliku opaža se samo u čvrste tvari.
Konvekcija- prijenos topline pri gibanju pojedinih masa i volumena tekućih i plinovitih tijela.
Obično se konvekcija i provođenje topline odvijaju istovremeno. Takav proces se zove konvektivni prijenos topline. Prijenos topline s jednog tijela na drugo tijekom konvekcije i provođenja topline provodi se samo kada oni dođu u dodir.
Radijacija-izmjena topline između tijela na udaljenosti u obliku lu-čista energija. Nositelji energije zračenja su elektromagnetski valovi (fotoni). Pri zračenju toplinska energija zagrijanog tijela prelazi u energiju zračenja, širi se okolnim prostorom, pada na drugo tijelo i opet prelazi u toplinsku energiju.
Rješenje problema prijenosa topline uvijek ima specifičan karakter, nedvosmisleno određen uvjetima procesa.
Ovi uvjeti uključuju:
- geometrijske značajke površina tijela i prostora koji ih okružuje (oblici, veličine);
- značajke procesa u vremenu;
- granične značajke procesa prijenosa topline, tj. vrijednost i raspodjela fizikalne veličine na sučeljima tijela uključenih u prijenos topline;
- fizički i Kemijska svojstva i parametri medija u kojem se odvija prijenos topline.
Međutim, ovi uvjeti jedinstvenosti ne omogućuju uvijek dobivanje analitičkog rješenja problema u teoriji prijenosa topline. Stoga su za proučavanje procesa prijenosa topline fizikalni eksperimenti i generalizacija njihovih rezultata od iznimne važnosti.
Toplinska vodljivost
Značajke fenomena provođenja topline povezane su s raspodjelom temperature u tijelima. U općem slučaju, temperatura tijela može se mijenjati u svim točkama prostora tijekom vremena. Poziva se skup trenutnih vrijednosti temperature u svim točkama prostora koji se proučava temperaturno polje.
Temperaturno polje je homogena, ako je temperatura ista u svim točkama prostora, i heterogena ako je drugačije. Površine s točkama iste temperature nazivaju se izotermna, a presjek tih površina - izoterme(Sl. 3.1) Toplina se ne širi duž izotermnih površina. Najbrža promjena temperature događa se u smjeru duž normale na izotermne površine.
Riža. 3.1. temperaturno polje
Granica omjera temperaturne razlike dviju izotermi i udaljenosti između njih duž normale, kada n teži nuli zove se gradijent
temperaturni volumen a označava se s grad t.
Gradijent - mjera najvećeg intenziteta promjene temperature; to je vektorska veličina. Smjer u kojem temperatura raste smatra se pozitivnim. Kvantitativno, intenzitet prijenosa topline karakterizira gustoća toplinskog toka, odnosno količinu topline koja prolazi kroz jedinicu površine u jedinici vremena. Prema Fourierovom zakonu - osnovnom zakonu toplinske vodljivosti - gustoća toplinskog toka, W / m 2, određena je formulom
gdje Q- količina topline, J; F- Površina, m2 ; τ - vrijeme, h
Fourierov zakon kaže da je gustoća toplinskog toka proporcionalna temperaturnom gradijentu
gdje λ - koeficijent toplinske vodljivosti koji karakterizira intenzitet širenja topline, tj. količinu topline koja prođe kao rezultat toplinske vodljivosti u jedinici vremena kroz jediničnu površinu izmjene topline kada temperatura padne za 1 stupanj po jedinici duljine normale na izotermnu površinu , W/mK.
Znak minus na desnoj strani označava suprotan smjer toka topline i promjene temperature u tijelu. Koeficijent toplinske vodljivosti ovisi o kemijski sastav tijela, njihovu strukturu, gustoću, vlažnost, tlak, temperaturu i kreće se od 0,01 do 400 W/(m K).
Tijela koja imaju λ <0,2 Вт/(м·К), называются toplinski izolatori. Dobri vodiči topline su tijela koja imaju λ >20 W/(m K).
Najmanje vrijednosti plinovi imaju koeficijent toplinske vodljivosti (od 0,01 do 1 W / (m K)), najveći - metali (srebro - 410, bakar -
360, aluminij - 200-300, čelik - 45-55 W / (m K)).
Fourierova jednadžba topline je matematički opis procesa promjene temperature s vremenom na bilo kojem mjestu tijela, uzrokovanog prijenosom topline.
Jednadžbe provođenja topline obično se analitički rješavaju za specifične procesne uvjete koristeći poznate uvjete jedinstvenosti.
U praksi se susrećemo s različitim problemima provođenja topline, koji se konvencionalno dijele u tri skupine:
1) stacionarna toplinska vodljivost, kada raspodjela temperature u tijelu ostaje nepromijenjena u vremenu i, sukladno tome, gustoća toplinskog toka je konstantna. Procesi izmjene topline u uređajima i aparatima za grijanje, ogradnim konstrukcijama građevinskih konstrukcija pri dugotrajno konstantnim temperaturama vanjskog i unutarnje okruženje može se smatrati neovisnim o vremenu;
2) nestacionarna toplinska vodljivost, kada se temperaturno polje mijenja s vremenom. Nestacionarna toplinska vodljivost opaža se, na primjer, tijekom zagrijavanja i hlađenja tijela, kada je prije početka toplinske izloženosti cijela tjelesna masa imala istu temperaturu;
3) temperaturni valovi u tijelima podvrgnutim periodičkim toplinskim učincima. Na primjer, godišnja kolebanja temperature u površinskom sloju zemlje, dnevna kolebanja temperature vanjskog zraka i, pod njihovim utjecajem, temperatura površina zatvorenih konstrukcija.
Dolje je posebno rješenje Fourierove jednadžbe za dva problema stacionarnog provođenja topline.
1. Jednodimenzionalna raspodjela topline u ravnom zidu (sl. 3.2). Toplinski tok u ravnoj stijenci jednak je
vijesti F 1 i F 2, °S.
Za sendvič zid s debljinama slojeva δi i koeficijenti toplinske vodljivosti λ i jednadžba toka topline generalizira se na sljedeći način:
gdje α - koeficijent konvektivnog prijenosa topline, koji karakterizira intenzitet prijenosa topline konvekcijom, W / (m 2 K); t- temperatura tekućine udaljena od stijenke, °S; t st- temperatura površine zida, °S; F- površina tijela koja prima toplinu, m 2.
Jedan od glavnih zadataka teorije konvektivnog prijenosa topline je određivanje vrijednosti koeficijenta prolaza topline za specifične procesne uvjete.
Po iznosu α Utječu mnogi čimbenici, od kojih su glavni priroda konvekcije, način gibanja, fizikalna svojstva tekućine, geometrijske značajke površine tijela uključenih u izmjenu topline.
Konvekcija se naziva besplatno, ako nastaje zbog razlike tlakova (gustoće) zbog nehomogenosti temperaturnog polja tekućine. Fenomen slobodne konvekcije može se promatrati na površini zagrijanih tijela, kada se čestice zraka koje se nalaze u blizini tih površina zagrijavaju, podižu, a hladne zračne mase hrle na njihovo mjesto (slika 3.4).
Slobodna konvekcija prirodno se javlja u svakom volumenu gdje se nalaze tijela s različitim temperaturama, a odvija se to intenzivnije što je razlika u temperaturi veća.
Riža. 3.4. Slobodna konvekcija: a- vertikalni grijani zid; b- horizontalna ploča; u– horizontalna peć, grijana odozdo
prisilna konvekcija zove se prijenos topline tijekom kretanja tekućine pod djelovanjem vanjskih sila, na primjer, stvorenih pumpom, ventilatorom, kompresorom. Pri tome je intenzitet prijenosa topline to veći što je veća brzina protoka tekućine koja pere površine tijela.
Razlog za povećanje intenziteta prijenosa topline s povećanjem brzine protoka je promjena načina kretanja tekućine, prijelaz iz laminarnog u turbulentno gibanje (vidi sl. 3.1).
U laminarnom strujanju toplinska energija se prenosi provođenjem topline i poprečnom difuzijom mase. Intenzitet takvog prijenosa energije ovisi o svojstvima medija, a što je manji, to je veća debljina strujanja. U turbulentnom strujanju energija se prenosi s tekućine na stijenku miješanjem masa, a samo u graničnom sloju - toplinskom vodljivošću. Stoga je intenzitet prijenosa topline u turbulentnom strujanju veći nego u laminarnom.
Laminarna i turbulentna strujanja tekućine mogu se promatrati i pod prisilom i pod slobodno kretanje. Međutim, u potonjem slučaju, ti modovi nastaju isključivo uvjetima toplinskog djelovanja, dok se u prisilnom gibanju koriste umjetne metode utjecaja na strujanje fluida.
Intenzitet konvektivnog prijenosa topline također ovisi o fizičkim svojstvima tekućine, karakteriziranim vrijednošću koeficijenata toplinske vodljivosti i toplinske difuzije, toplinskog kapaciteta, koeficijenata ekspanzije volumena i kinematičke viskoznosti.
Geometrijski uvjeti konvektivnog prijenosa topline određeni su oblikom tijela, njegovim dimenzijama i prirodom površine oko koje teče tekućina.
Prema geometrijskim uvjetima, prijenos topline razlikuje se tijekom unutarnjeg protoka tekućine u cijevima, kanalima ( interni zadatak) i vanjsko pranje površina potokom (vanjski zadatak). Kod vanjskog strujanja strujanje može biti uzdužno u odnosu na najveća veličina površinski ili poprečno (na primjer, kada teče oko snopa cijevi smještenih okomito na smjer strujanja).
U svim slučajevima geometrijski uvjeti imaju značajan utjecaj na raspodjelu brzina i temperatura u strujanju, na način gibanja, promjenu intenziteta prijenosa topline. Da bi se uzeli u obzir ovi čimbenici, potrebno je odrediti karakteristične dimenzije i oblik tijela.
Vrijednosti koeficijenata prolaza topline u razne zadatke konvekcijski prijenos topline određuje se rješavanjem kriterijskih jednadžbi, uz pomoć kojih se generaliziraju podaci eksperimentalnih istraživanja, na primjer, za slobodnu konvekciju, jednadžba oblika
gdje ne l -Nusseltov kriterij; α -koeficijent konvektivne topline-
Grashof; g- ubrzanje sile teže, m/s 2 ; β - volumetrijski koeficijent
Reynolds; IZ, n, m- eksperimentalni koeficijenti, - brzina fluida, m/s.
Elektrotoplinski procesi povezani su s pretvorbom električne energije u toplinsku s prijenosom toplinske energije unutar tijela (krutog, tekućeg, plinovitog) ili iz jednog volumena u drugi prema zakonima prijenosa topline.
Prijenos topline (izmjena topline) je prijenos topline iz jednog dijela prostora u drugi, s jednog tijela na drugo ili unutar tijela s jednog njegovog dijela na drugi. Neizostavan uvjet za prijenos topline je postojanje temperaturne razlike između pojedinih tijela ili dijelova tijela.
Postoji stacionarni i nestacionarni prijenos topline (slika 2.1).
Postoje tri vrste prijenosa topline, tri različite metode prijenosa topline (slika 2.2).
Toplinska vodljivost je posljedica toplinskog gibanja i energetskog međudjelovanja mikročestica (molekula, atoma, elektrona), pri čemu čestice veće energije (više zagrijane i stoga pokretljivije) daju dio svoje energije manje zagrijanim (manje pokretljivima). Brzina prijenosa topline u ovom slučaju ovisi o fizička svojstva tvari, posebice na njezinu gustoću. Za gusta tijela (metal) brzina prijenosa topline je veća, za porozne (polistiren) - manje.
Toplinski tok kroz ravnu stijenku u stacionarnom stanju (određen Fourierovim zakonom) proporcionalan je temperaturnoj razlici površine stijenke i obrnuto proporcionalan toplinskom otporu stijenke.
Kada se toplina prenosi zračenjem, energija se prenosi u obliku Elektromagnetski valovi. Ova vrsta prijenosa topline može se odvijati samo u mediju prozirnom za te zrake.
Svako neprozirno zagrijano tijelo u prozirnom mediju zrači energiju zračenja u svim smjerovima, šireći se brzinom svjetlosti. Pri susretu s drugim potpuno ili djelomično neprozirnim tijelima, ova se energija zračenja ponovno pretvara (u cijelosti ili djelomično) u toplinu, zagrijavajući ta tijela. Posljedično, prijenos topline zračenjem prati dvostruka transformacija energije - toplinska energija u energiju zračenja i zatim ponovno energija zračenja u toplinsku energiju.
Ako su temperature tijela između kojih se vrši radijativna izmjena topline različite, tada će se kao rezultat izmjene topline između njih toplina prenositi s više zagrijanog tijela na manje zagrijano, jedno od njih će se zagrijati, a drugi će smanjiti temperaturu.
Kada zagrijano tijelo zrači u neograničeni prostor (s jednostranim prijenosom topline), toplinski tok zračenja proporcionalan je konstantnoj emisivnosti potpuno crnog tijela, stupnju crnila tijela, brojčano jednakom njegovoj apsorpcijskoj sposobnosti i apsolutna temperatura zagrijanog tijela.
Riža. 2.2. Podjela prijenosa topline prema načinu prijenosa topline
Analitičko rješavanje problema povezanih s konvektivnim prijenosom topline predstavlja značajne poteškoće budući da je ovaj proces opisan složeni sustav diferencijalne jednadžbe. Stoga se problemi konvektivnog prijenosa topline rješavaju pomoću eksperimentalno dobivenih konstanti i veličina. Toplinski tok konvektivnog prijenosa topline određuje se na temelju Newton-Richmannova zakona. Prema ovom zakonu protok topline je izravno proporcionalan površini za pranje, načinu kretanja rashladnog sredstva (koeficijentu prolaza topline) i razlici temperature između stijenke i plina ili tekućine.
Danas ćemo pokušati pronaći odgovor na pitanje “Prijenos topline je?..”. U članku ćemo razmotriti što je proces, koje vrste postoje u prirodi, a također ćemo saznati kakav je odnos između prijenosa topline i termodinamike.
Definicija
Prijenos topline je fizikalni proces čija je bit prijenos.Izmjena se događa između dva tijela ili njihovog sustava. U ovom slučaju preduvjet je prijenos topline s jače zagrijanih tijela na manje zagrijana.
Značajke procesa
Prijenos topline je ista vrsta fenomena koji se može dogoditi i kod izravnog kontakta i kod odvajanja pregrada. U prvom slučaju sve je jasno, u drugom kao barijere mogu poslužiti tijela, materijali i mediji. Do prijenosa topline dolazi u slučajevima kada sustav koji se sastoji od dva ili više tijela nije u stanju toplinska ravnoteža. To jest, jedan od objekata ima višu ili nižu temperaturu u odnosu na drugi. Tu se odvija prijenos toplinske energije. Logično je pretpostaviti da će prestati kada sustav dođe u stanje termodinamičke ili toplinske ravnoteže. Proces se odvija spontano, što nam može reći
Vrste
Prijenos topline je proces koji se može podijeliti na tri načina. Oni će imati osnovnu prirodu, budući da se unutar njih mogu razlikovati stvarne potkategorije, koje imaju svoje karakteristične značajke zajedno s općim obrascima. Do danas je uobičajeno razlikovati tri.To su toplinska vodljivost, konvekcija i zračenje. Počnimo s prvim, pretpostavljam.
Načini
Ovo je ime imovine ovoga ili onoga materijalno tijelo obavljati prijenos energije. Pritom se prenosi iz toplijeg dijela u hladniji. Ovaj fenomen temelji se na principu kaotičnog gibanja molekula. To je takozvano Brownovo gibanje. Što je viša temperatura tijela, to se aktivnije kreću molekule u njemu, budući da imaju veću kinetičku energiju. U procesu provođenja topline sudjeluju elektroni, molekule, atomi. Provodi se u tijelima čiji različiti dijelovi imaju različite temperature.
Ako je tvar sposobna provoditi toplinu, možemo govoriti o prisutnosti kvantitativne karakteristike. U ovom slučaju, njegovu ulogu igra koeficijent toplinske vodljivosti. Ova karakteristika pokazuje koliko će topline proći kroz jedinične pokazatelje duljine i površine po jedinici vremena. U tom će se slučaju temperatura tijela promijeniti točno za 1 K.
Prethodno se vjerovalo da je izmjena topline u različitim tijelima (uključujući prijenos topline zatvorenih struktura) posljedica činjenice da takozvani kalorični tokovi iz jednog dijela tijela u drugi. Međutim, nitko nije pronašao znakove njegovog stvarnog postojanja, a kada se molekularno-kinetička teorija razvila do određene razine, svi su zaboravili razmišljati o kalorijama, jer se hipoteza pokazala neodrživom.
Konvekcija. Prijenos topline vodom
Ovaj način izmjene toplinske energije shvaća se kao prijenos pomoću unutarnjih tokova. Zamislimo kotlić vode. Kao što znate, vruće zračne struje penju se prema vrhu. A hladni, teži tonu. Pa zašto bi voda bila drugačija? S njom je potpuno isto. I u procesu takvog ciklusa, svi slojevi vode, koliko god ih bilo, zagrijavat će se sve dok ne dođe do stanja toplinske ravnoteže. Pod određenim uvjetima, naravno.
Radijacija
Ova metoda se temelji na principu elektromagnetskog zračenja. Dolazi iz unutarnje energije. Nećemo puno ulaziti u teoriju, samo ćemo napomenuti da razlog ovdje leži u rasporedu nabijenih čestica, atoma i molekula.
Jednostavni problemi provođenja topline
Sada razgovarajmo o tome kako proračun prijenosa topline izgleda u praksi. Riješimo jednostavan problem vezan uz količinu topline. Recimo da imamo masu vode jednaku pola kilograma. Početna temperatura vode je 0 stupnjeva Celzijusa, konačna temperatura je 100. Nađimo količinu topline koju smo potrošili da zagrijemo ovu masu tvari.
Da bismo to učinili, potrebna nam je formula Q \u003d cm (t 2 -t 1), gdje je Q količina topline, c je specifična m je masa tvari, t 1 je početna, t 2 je konačna temperatura. Za vodu je vrijednost c tablična. Određena toplina bit će jednak 4200 J / kg * C. Sada zamijenimo ove vrijednosti u formulu. Dobivamo da će količina topline biti jednaka 210 000 J, odnosno 210 kJ.
Prvi zakon termodinamike
Termodinamika i prijenos topline međusobno su povezani nekim zakonima. Temelje se na spoznaji da se promjene unutarnje energije unutar sustava mogu postići na dva načina. Prvi je mehanički rad. Drugi je komunikacija određene količine topline. Inače, prvi zakon termodinamike temelji se na ovom principu. Evo njegove formulacije: ako je sustavu dodijeljena određena količina topline, ona će se potrošiti na obavljanje rada na vanjskim tijelima ili na povećanje njegove unutarnje energije. Matematički zapis: dQ = dU + dA.
Za ili protiv?
Apsolutno sve veličine koje su uključene u matematički zapis prvog zakona termodinamike mogu se pisati i sa znakom plus i sa znakom minus. Štoviše, njihov će izbor biti diktiran uvjetima procesa. Pretpostavimo da sustav prima neku količinu topline. U tom slučaju se tijela u njemu zagrijavaju. Zbog toga se plin širi, što znači da je rad obavljen. Kao rezultat toga, vrijednosti će biti pozitivne. Ako se količina topline oduzme, plin se hladi i na njemu se obavlja rad. Vrijednosti će biti obrnute.
Alternativna formulacija prvog zakona termodinamike
Pretpostavimo da imamo neki motor koji povremeno radi. U njemu radno tijelo (ili sustav) obavlja kružni proces. Obično se naziva ciklus. Kao rezultat toga, sustav će se vratiti u prvobitno stanje. Bilo bi logično pretpostaviti da će u ovom slučaju promjena unutarnje energije biti nula. Ispada da će količina topline biti jednaka obavljenom radu. Ove nam odredbe omogućuju da prvi zakon termodinamike formuliramo na drugačiji način.
Iz njega možemo razumjeti da perpetuum mobile prve vrste ne može postojati u prirodi. Odnosno, uređaj koji radi u većoj količini u odnosu na energiju primljenu izvana. U tom slučaju radnje se moraju provoditi povremeno.
Prvi zakon termodinamike za izoprocese
Razmotrimo prvo izohorni proces. Održava konstantan volumen. To znači da će promjena volumena biti nula. Stoga će i rad biti jednak nuli. Odbacimo ovaj član iz prvog zakona termodinamike, nakon čega dobivamo formulu dQ = dU. To znači da u izohornom procesu sva toplina koja se dovodi u sustav odlazi na povećanje unutarnje energije plina ili smjese.
Razgovarajmo sada o izobarnom procesu. Konstantna vrijednost u njemu je pritisak. U tom slučaju, unutarnja energija će se mijenjati paralelno s radom. Ovo je izvorna formula: dQ = dU + pdV. Lako možemo izračunati obavljeni rad. Bit će jednak izrazu uR(T 2 -T 1). Usput, ovo je fizičko značenje univerzalna plinska konstanta. U prisutnosti jednog mola plina i temperaturne razlike od jednog Kelvina, univerzalna plinska konstanta bit će jednaka radu obavljenom u izobarnom procesu.
Izmjena topline- ovo je proces promjene unutarnje energije bez rada na tijelu ili samom tijelu.
Prijenos topline uvijek se odvija u određenom smjeru: s tijela s višom temperaturom na tijela s nižom.
Kada se temperature tijela izjednače, prijenos topline prestaje.
Izmjena topline može se izvesti na tri načina:
- toplinska vodljivost
- konvekcija
- radijacija
Toplinska vodljivost
Toplinska vodljivost- fenomen prijenosa unutarnje energije s jednog dijela tijela na drugi ili s jednog tijela na drugo uz njihov neposredni kontakt.
Metali imaju najveću toplinsku vodljivost- imaju stotine puta više od vode. Izuzetak su živa i olovo., ali čak i ovdje toplinska vodljivost je desetke puta veća od vode.
Prilikom spuštanja metalne igle u čašu sa Vruća voda vrlo brzo je i kraj žbice postao vruć. Posljedično, unutarnja energija, kao i svaka vrsta energije, može se prenositi s jednog tijela na drugo. Unutarnja energija također se može prenositi s jednog dijela tijela na drugi. Tako, na primjer, ako se jedan kraj čavla zagrije u plamenu, tada će se njegov drugi kraj, koji je u ruci, postupno zagrijati i opeći ruku.
Zagrijavanje tave na električnom štednjaku događa se provođenjem topline.
Proučimo ovaj fenomen izvodeći niz pokusa s krutinama, tekućinama i plinovima.
Stavimo kraj drvenog štapa u vatru. Zapalit će se. Drugi kraj štapa, koji je vani, bit će hladan. Sredstva, drvo ima lošu toplinsku vodljivost.
Kraj tanke staklene šipke prinesemo plamenu alkoholne lampe. Nakon nekog vremena će se zagrijati, dok će drugi kraj ostati hladan. Stoga, i staklo ima lošu toplinsku vodljivost.
Ako kraj metalne šipke zagrijemo u plamenu, vrlo brzo će se cijela šipka jako zagrijati. Ne možemo ga više držati u rukama.
Sredstva, metali dobro provode toplinu, odnosno imaju visoku toplinsku vodljivost. Srebro i bakar imaju najveću toplinsku vodljivost..
Toplinska vodljivost pri razne tvari drugačiji.
Vuna, dlaka, ptičje perje, papir, pluto i druga porozna tijela imaju lošu toplinsku vodljivost. To je zbog činjenice da se između vlakana tih tvari nalazi zrak. Najnižu toplinsku vodljivost ima vakuum (prostor oslobođen od zraka). To se objašnjava činjenicom da je toplinska vodljivost prijenos energije s jednog dijela tijela na drugi, koji se javlja tijekom interakcije molekula ili drugih čestica. U prostoru u kojem nema čestica ne može doći do provođenja topline.
Ako postoji potreba za zaštitom tijela od hlađenja ili zagrijavanja, tada se koriste tvari niske toplinske vodljivosti. Dakle, za lonce, tave, plastične ručke. Kuće se grade od balvana ili opeke, koje imaju lošu toplinsku vodljivost, što znači da su zaštićene od hlađenja.
Konvekcija
Konvekcija je proces prijenosa topline koji se provodi prijenosom energije protokom tekućine ili plina.
Primjer fenomena konvekcije: mali papirnati kotač, postavljen iznad plamena svijeće ili električne žarulje, počinje se okretati pod utjecajem dižućeg zagrijanog zraka. Ovaj fenomen se može objasniti na ovaj način. Zrak se u dodiru s toplom lampom zagrijava, širi i postaje manje gust od hladnog zraka koji ga okružuje. Arhimedova sila koja djeluje na topli zrak od hladne strane prema gore veća je od sile gravitacije koja djeluje na topli zrak. Kao rezultat toga, zagrijani zrak "lebdi", diže se, a hladni zrak zauzima njegovo mjesto.
U konvekciji se energija prenosi samim mlazovima plina ili tekućine.
Postoje dvije vrste konvekcije:
- prirodno (ili besplatno)
- prisiljeni
Da bi došlo do konvekcije u tekućinama i plinovima, potrebno ih je zagrijati odozdo.
Konvekcija se ne može pojaviti u čvrstim tijelima.
Radijacija
Radijacija- elektromagnetsko zračenje koje zbog unutarnje energije emitira tvar na određenoj temperaturi.
Snaga toplinskog zračenja objekta koji zadovoljava kriterije crnog tijela opisuje se pomoću Stefan-Boltzmannov zakon.
Opisan je odnos emisione i apsorpcijske sposobnosti tijela Kirchhoffov zakon zračenja.
Prijenos energije zračenjem razlikuje se od ostalih vrsta prijenosa topline: to može se izvesti u punom vakuumu.
Sva tijela zrače energiju: i jako zagrijana i slabo, na primjer, ljudsko tijelo, štednjak, električna žarulja itd. Ali što je viša temperatura tijela, to više energije prenosi zračenjem. U ovom slučaju energija se djelomično apsorbira od strane tih tijela, a djelomično se reflektira. Pri apsorpciji energije tijela se zagrijavaju na različite načine, ovisno o stanju površine.
Tijela tamne površine bolje apsorbiraju i zrače energiju od tijela svijetle površine. Istovremeno se hlade tijela tamne površine brži način zračenja od tijela sa svijetlom površinom. Na primjer, u laganom čajniku Vruća voda zadržava toplinu duže nego u mraku.
