ŠILUMOS PERDAVIMO BŪDAI.
Atliekant terminį džiovinimą, išskiriami du procesai:
1) šalinamos drėgmės išgaravimas;
2) susidariusių garų pašalinimas nuo medžiagos paviršiaus.
Norint išgaruoti 1 kg drėgmės, į garinimo zoną reikia atnešti gana tam tikrą šilumos kiekį. Todėl šilumos perdavimas yra darbo procesų, vykstančių džiovinimo įmonėse, pagrindas. Praktikoje didesniu ar mažesniu mastu realizuojamos visos trys pagrindinės šilumos perdavimo formos: 1) šilumos laidumas; 2) konvekcija; 3) radiacija.
Be to, daugelyje džiovyklų didelę reikšmę turi specialus šilumos perdavimo būdas, būtent šilumos perdavimas trumpalaikio kontakto būdu, kuris vyksta, pavyzdžiui, ritininėse džiovyklose, ant vakuuminių džiovintuvų šildymo grotelių ir būgninėse džiovyklose šalta medžiaga sąveikauja su šildomais vidinių prietaisų elementais.
Požiūris į šilumos perdavimo problemas džiovinimo technologijoje skiriasi nuo požiūrio į kitas inžinerijos šakas. Mechaninėje inžinerijoje šilumą perduodančių ir šilumą priimančių elementų forma ir matmenys daugeliu atvejų yra gerai žinomi (vamzdžiai, plokštės ir kt.). Džiovinimo įrenginiuose daugumos džiovinamų žemės ūkio produktų geometrinė forma yra labai įvairi, todėl ją sunku pakankamai tiksliai analitiškai apibūdinti.
Kitas sunkumas yra tai, kad drėgmės išgaravimo zona medžiagoje nuolat juda ir priklauso nuo proceso sąlygų. Dėl šios priežasties džiovyklose, labiau nei bet kurioje kitoje technikos srityje, prietaisų skaičiavimo ir projektavimo pagrindas yra eksperimentiniai tyrimai.
Pagrindiniai šilumos perdavimo dėsniai, išdėstyti toliau, bus pateikti tiek, kiek reikia norint visiškai suprasti žemės ūkio džiovyklose vykstančius procesus.
Šilumos laidumas kaip šilumos perdavimo būdas
Šilumos perdavimas laidumo būdu vyksta kietose medžiagose, stacionariuose skysčiuose ir dujose dėl energijos perdavimo šilumos pavidalu elementarioji dalelė kitam. Šiluma perduodama iš aukštos temperatūros zonos į žemesnės temperatūros sritį. Pastovioje būsenoje šilumos srauto tankis tarp dviejų lygiagrečių kūno paviršių priklauso nuo temperatūrų skirtumo, sienelės storio ir termofizinės konstantos – šilumos laidumo K (3.13 pav.):
Ryžiai. 3.13. Plokščios sienos šilumos laidumas
q yra šilumos srauto tankis, kcal/(m2 h);
λ – šilumos laidumas, kcal/(m h ºС);
U1, U2 – pirmojo ir antrojo paviršių temperatūra, ºС;
s – sienelės storis, m
Esant vienalyčiam kūnui apribotas plokšti paviršiai, temperatūra tarp jų esant pastoviam šiluminiam režimui krenta pagal tiesinį dėsnį. Dėl
sudėtingos struktūros kūnai, procesas be galo mažo storio ds sluoksnyje aprašomas formos lygtimi
čia dυ – temperatūros skirtumas be galo mažo storio sluoksnyje, °С. Minuso ženklas lygtyje rodo, kad šilumos srautas nukreipiamas į žemesnę temperatūrą.
Norint padaryti išvadas apie procesą visame kūne, remiantis proceso svarstymu be galo mažo storio sluoksnyje, būtina atlikti integraciją esant tam tikroms ribinėms sąlygoms.
Konvekcija (šilumos perdavimo būdas)
Šilumos perdavimas konvekcijos būdu iš esmės apima du procesus (3.17 pav.):
1) šilumos perdavimas šilumos laidumo būdu nuo kieto kūno paviršiaus per laminarinį ribinį sluoksnį iki turbulentinio srauto šerdies;
2) šilumos perdavimas turbulentiniu būdu iš laminarinio ribinio sluoksnio į turbulentinio srauto šerdį.
Džiovinimas pasižymi atvirkštine šilumos srauto kryptimi: nuo džiovinimo medžiagos iki kietosios medžiagos paviršiaus. Šilumos perdavimo lygtis susieja temperatūros skirtumą tarp srauto ir kūno paviršiaus su šilumos srauto tankiu:
kur šilumos perdavimo koeficientas, kcal/(m2 h °C);
UL;U0 - temperatūra ant sienos ir srauto šerdyje, °С.
Ryžiai. 3.17. Temperatūros profilis perduodant šilumą iš turbulentinio srauto į kieto kūno paviršių per laminarinį ribinį sluoksnį: UL - temperatūra srauto šerdyje; U0 - kūno paviršiaus temperatūra
Norint suprasti konvekcinio šilumos perdavimo procesus, būtina atskirti elementarius procesus (tekėjimas aplink atskirus kūnus) ir sudėtingus procesus (šilumos perdavimas birių medžiagų sluoksnyje, priešinis ir pirminis srautas ir kt.).
Laminarinis ribinis sluoksnis, turbulentinio srauto šerdis, šilumos perdavimas šilumos laidumo ir turbulentinio maišymo būdu, taip pat masės perdavimas ribiniame sluoksnyje pirmyn ir atgal, yra tarpusavyje susiję ir daro vienas kitą įvairiapusį poveikį. Šiuos procesus galima apibūdinti naudojant energijos ir masės mainų balansines lygtis. Aprašymui tikslinga įvesti bedimensinius kriterijus, jungiančius daug fizinių ir technologinių parametrų. Tokių kriterijų pagalba realias fizines priklausomybes galima apibūdinti paprasčiau ir aiškiau, atsisakant tiesiogiai naudoti procesą apibūdinančius fizikinius parametrus.
spinduliuotės šilumos perdavimas spinduliuote
Šilumos perdavimas spinduliuote (pavyzdžiui, infraraudonųjų spindulių šildymas) įvyksta perduodant energiją. elektromagnetinės bangos iš vieno kūno į kitą. Šiuo atveju energijos perdavimas spinduliuote nedalyvauja nei kietas, nei skystas, nei dujinis nešiklis. Pagal Stefano-Boltzmanno dėsnį kūno skleidžiama energija į supančią erdvę yra proporcinga jo temperatūrai (kelvino laipsniais) ketvirtajai laipsniai:
q yra spinduliuotės energijos srauto tankis, kaal/(m2 x);
C – kūno spinduliavimo koeficientas;
T - temperatūra, K.
Jei du skirtingos temperatūros kūnus priartinsime vienas prie kito (3.21 pav.), tai kiekvieno iš šių kūnų sugertos ir išspinduliuotos energijos skirtumas įvertinamas pagal lygtį.
K = A1 С12[( T 1 / 100)4 – (T2 / 100)4] = A2 C21[( T 1 / 100)4 – (T2 / 100)4],
kur K- spinduliuotės energijos šilumos srautas, kcal/h; A1, A2 - 1 ir 2 kūnų spinduliuojantis paviršius; C12, C21 - spinduliavimo koeficientai, kcal/[m2-h (K/100)4]. Koeficientai C12 arba C21, pagrįsti atskirų kūnų spinduliavimo koeficientu, gaunami iš šių lygčių:
1 / C12 \u003d 1 / C1 + A1 / A2 (1 / C2 - 1 / Cs);
1 / C21 \u003d 1 / C2 + A2 / A1 (1 / C1 - 1 / Cs);
Ryžiai. 3.22. Radiacinės anergijos srauto tankis tarp kūnų, įkaitintų iki skirtingos temperatūros (esant C=4,0)
3.23 pav. Temperatūros pasiskirstymas keraminėje plokštėje kaitinant infraraudonųjų spindulių srautu (pagal darbą)
kur Cs yra juodo kūno spinduliuotė; Cs= 4,96 kcal/[m2-h (K/100)4].
Lentelėse dažnai pateikiama santykinės charakteristikos reikšmė (3.10 lentelė)
Ant pav. 3.22 paveiksle parodyta spinduliuotės energijos srauto tankio priklausomybė nuo temperatūros υ1 ir υ2, darant prielaidą, kad C12 = C21 = 4 kcal/[m2-h (K/100)4]. Iš grafikų matyti, kad esant dideliems temperatūrų skirtumams, spinduliavimo energija priklauso tik nuo karštesnio kūno temperatūros.
Ypač įdomus yra šilumos tiekimo procesas naudojant spinduliuotę džiovinimo įrenginiuose, nes tai yra dėl galimybės spinduliuotės energijai prasiskverbti į įvairias terpes. Šilumos srautų prasiskverbimo gylis spinduliavimo metu priklauso nuo medžiagos tipo ir spinduliuotės tipo. Organinės kilmės kapiliariškai poringiems kūnams šis gylis yra 0,1–2 mm.
Dėl to, reikalingos šilumos dalinai išsiskiria kūno viduje, o ne tik jo paviršiuje, tam tikromis sąlygomis paviršiuje šilumos srauto tankis gali būti padidintas daug kartų.
3.10 lentelė Medžiagos spinduliuotė pagal Schmidt
|
MEDŽIAGA |
Temperatūra, °С |
Emisija ε = C/ Cs |
|
Auksas, sidabras, varis poliruoti |
||
|
poliruotas, šiek tiek oksiduotas |
||
|
nušlifuoti |
||
|
pajuodęs (oksiduotas) |
||
|
švariai sumaltas |
||
|
labai oksiduotas |
||
|
Apdegė molis |
||
|
Ledas lygus, vanduo |
||
|
Ledas, grubus paviršius |
||
Pasak A. V. Lykovo, energijos srauto tankis, pavyzdžiui, gali būti padidintas nuo 750 kcal/(m2-h) konvekcijai iki 22 500 kcal/(m2-h) radiacijai. Ant pav. 3.23 grafine forma pavaizduotas kūno šildymo procesas naudojant spinduliuotės energiją. Iš grafiko aiškiai matyti, kad šiluminė energija iš pradžių išsiskiria tik kūno viduje, nes kitu atveju maksimali temperatūra turėtų būti kūno paviršiuje.
Kontaktinė šilumos mainai
Kontaktinis šilumos perdavimas stebimas, kai du kūnai, kurių temperatūra pradiniu laiko momentu yra skirtinga, liečiasi vienas su kitu, dėl to šių kūnų temperatūra linksta į tam tikrą bendrą vidutinę temperatūrą. Praktiškai tokio tipo šilumos perdavimą galima pastebėti ant įkaitusių arba įkaitusių paviršių liejant, vibruojant, slystant išdžiūvusiai medžiagai.
Pirmuoju laiko momentu po dviejų kūnų, kurie iš pradžių turėjo skirtingą temperatūrą, sąlyčio, jų sąlyčio paviršiuje nustatoma vidutinė temperatūra, žymima U0. Ši vertė vadinama kūno terminiu aktyvumu. Kur:
Vidutinė sumažinto šilumos perdavimo koeficiento reikšmė, nurodyta. į laiko intervalą t ir temperatūrų skirtumą U0-U∞ (kur - U∞ šalto kūno pradinė temperatūra), apskaičiuojamas pagal formulę.
Esant trumpalaikiam kontaktui, vidutinė sumažinto šilumos perdavimo koeficiento vertė gali būti gana didelė.
Šilumos perdavimas kaitinant kintamajame elektromagnetiniame lauke.
Jei dvi metalinės plokštės, atskirtos tam tikru atstumu viena nuo kitos, dedamos į kintamąjį elektromagnetinį lauką, tarp jų atsiras kintamoji srovė, priklausomai nuo lauko stiprumo ir talpos.
3.25 pav. Pralaidumo v ir dielektrinių nuostolių liestinės tgδ kitimas kaip dažnio funkcija f kintamasis pušies medienos elektromagnetinis laukas ir drėgmės kiekis (pagal darbą)
Jei tarp kondensatoriaus plokščių dedama medžiaga, tai talpinė srovė padidės proporcingai medžiagos laidumui ε. Žemės ūkio produktuose esantis vanduo, palyginti su jų sausąja mase, turi didelę dielektrinę konstantą (esant 0 ° C temperatūrai ε = 80), todėl konstanta e galima matuoti medžiagos drėgnumą.
Grynai talpinė srovė nešildo šlapios medžiagos. Medžiagos viduje esančios fazinės srovės taip pat turi aktyvųjį komponentą. Reikšmė, išreikšta aktyviųjų ir talpinių komponentų santykiu, vadinama dielektrinių nuostolių kampo liestine:
IR yra aktyvusis srovės stiprumo komponentas A; IC - srovės stiprumo talpinis komponentas, A; U - darbinė įtampa, V; R - aktyvioji varža, Ohm; w- apskritas dažnis, 1/s; C - talpa, F; ε - dielektrinė konstanta; f- dažnis Hz.
Šilumos išsiskyrimas medžiagoje atsiranda tik dėl aktyvaus srovės komponento:
Jei įtampą išreiškiame lauko stipriu E (įtampa, tenkanti plokštes skiriančio atstumo centimetrui), galime gauti išraišką, apibūdinančią tūrinio šilumos išsiskyrimo galią:
Q - šilumos išsiskyrimas, kcal/h; V – kondensatoriaus tūris, cm3; E – įtampa elektrinis laukas, V/cm.
Nuostoliai, nustatyti pagal tgδ ir dielektrinę konstantą e, labai priklauso nuo medžiagos drėgmės kiekio ir kitimo dažnio elektromagnetinis laukas(3.25 pav.) . Jau esant santykinai mažam drėgmės kiekiui, abu minėti parametrai žymiai padidėja. Taip susidaro būtinos sąlygos vadinamajam dielektriniam džiovinimui. Tuo pačiu metu šilumos generavimas tampa ypač didelis ten, kur yra daugiausia drėgmės. Dėl to tokiose vietose drėgmė greičiau išgaruoja. Be to, į Ši byla medžiaga dehidratuojama pirmiausia iš vidaus, kuri turi didelę reikšmę užkirsti kelią jo sunaikinimui nuo susitraukimo įtempių (kai mediena džiovinama), stebimų taikant įprastus džiovinimo būdus, kai medžiaga išdžiūsta pirmiausia išorėje, o po to viduje.
Esant atmosferos slėgiui, drėgnos medžiagos viduje temperatūra pakyla iki maždaug 100°C ir tokiame lygyje išlieka pastovi. Jei drėgmė išgaruoja tiek daug, kad medžiaga atsidurs higroskopinėje srityje, temperatūra toliau kils. Dėl to medžiagos šerdis gali sudegti, kol jos išoriniai sluoksniai vis dar šlapi.
Dielektrinis, arba aukšto dažnio džiovinimas nėra plačiai naudojamas ne tik dėl didelių kapitalo investicijų ir aukštos kvalifikuotos priežiūros kaštų, bet ir dėl didelio proceso energijos intensyvumo. Šiluminė energija, reikalinga drėgmei išgaruoti, gaunama konvertuojant elektros energiją, o energijos konversija susijusi su pastebimais nuostoliais.
Šilumos perdavimo teorija tiria šilumos energijos pasiskirstymo ir perdavimo dėsningumus. Energijos mainai šilumos pavidalu vyksta esant temperatūrų skirtumui tarp atskirų kūnų ar to paties kūno dalių ir tęsiasi tol, kol abiejų kūnų temperatūra yra lygi. Kadangi temperatūra yra vidinės energijos matas, todėl šilumos perdavimo metu vieno (šalto) kūno vidinė energija padidėja dėl jos sumažėjimo kitame kūne (karštame).
Šilumos perdavimo procesas yra natūralus ir negrįžtamas, tai yra, jis visada vyksta viena kryptimi: nuo karšto kūno iki šalto.
Yra trys šilumos perdavimo tipai: laidumas, konvekcija ir spinduliuotė.
Šilumos laidumas- šilumos sklidimo kietose ir skysčiuose ramybės būsenoje procesas. Dielektrikuose (medžiagose, kurios nelaidžios elektrai), šiluminė energija perduodama virpesiais kristalinė gardelė, o metaluose – daugiausia dėl laisvųjų elektronų judėjimo gardelėje. Šilumos laidumas gryna forma stebimas tik kietosios medžiagos.
Konvekcija- šilumos perdavimas judant atskiroms skysčių ir dujinių kūnų masėms ir tūriams.
Paprastai konvekcija ir šilumos laidumas vyksta vienu metu. Toks procesas vadinamas konvekcinis šilumos perdavimas. Šilumos perdavimas iš vieno kūno į kitą konvekcijos ir šilumos laidumo metu atliekamas tik tada, kai jie liečiasi.
Radiacija-šilumos mainai tarp kūnų per atstumą formoje lu-švari energija. Spinduliavimo energijos nešėjai yra elektromagnetinės bangos (fotonai). Spinduliuojant įkaitusio kūno šiluminė energija virsta spinduliavimo energija, pasklinda supančioje erdvėje, krenta ant kito kūno ir vėl virsta šilumine energija.
Šilumos perdavimo problemų sprendimas visada turi specifinį pobūdį, vienareikšmiškai nulemtą procesų sąlygų.
Šios sąlygos apima:
- kūnų paviršių ir juos supančios erdvės geometrinės savybės (formos, dydžiai);
- proceso ypatumai laike;
- šilumos perdavimo proceso ribinės savybės, ty vertė ir pasiskirstymas fiziniai kiekiai kūnų, dalyvaujančių šilumos perdavimu, sąsajose;
- fizinis ir Cheminės savybės ir terpės, kurioje vyksta šilumos perdavimas, parametrus.
Tačiau šios unikalumo sąlygos ne visada leidžia gauti analitinį šilumos perdavimo teorijos uždavinių sprendimą. Todėl šilumos perdavimo procesams tirti išskirtinę reikšmę turi fizikiniai eksperimentai ir jų rezultatų apibendrinimas.
Šilumos laidumas
Šilumos laidumo reiškinių ypatybės yra susijusios su temperatūros pasiskirstymu kūnuose. Bendru atveju kūnų temperatūra laikui bėgant gali kisti visuose erdvės taškuose. Momentinės temperatūros verčių rinkinys visuose tiriamos erdvės taškuose vadinamas temperatūros laukas.
Temperatūros laukas yra vienalytis, jei temperatūra visuose erdvės taškuose yra vienoda, ir nevienalytis jei skiriasi. Paviršiai su vienodos temperatūros taškais vadinami izoterminis, ir šių paviršių skerspjūvis - izotermos(3.1 pav.) Šiluma nesklinda palei izoterminius paviršius. Sparčiausias temperatūros pokytis vyksta kryptimi išilgai normalaus ir izoterminio paviršiaus.
Ryžiai. 3.1. temperatūros laukas
Dviejų izotermų temperatūrų skirtumo ir atstumo tarp jų išilgai normalios santykio riba, kai n linkęs į nulį vadinamas gradientas
temperatūros tūris ir žymimas grad t.
Gradientas – didžiausio temperatūros pokyčio intensyvumo matas; tai vektorinis dydis. Temperatūros kilimo kryptis laikoma teigiama. Kiekybiškai šilumos perdavimo intensyvumas apibūdinamas šilumos srauto tankis, tai yra šilumos kiekis, praeinantis per paviršiaus vienetą per laiko vienetą. Pagal Furjė dėsnį – pagrindinį šilumos laidumo dėsnį – šilumos srauto tankis, W/m 2, nustatomas pagal formulę
kur K- šilumos kiekis, J; F- Plotas, m2 ; τ - laikas, val
Furjė dėsnis teigia, kad šilumos srauto tankis yra proporcingas temperatūros gradientui
kur λ - šilumos sklidimo intensyvumą apibūdinantis šilumos laidumo koeficientas, t. y. šilumos kiekis, dėl šilumos laidumo per laiko vienetą praeinantis per vienetinį šilumos mainų paviršių, kai temperatūra nukrenta 1 laipsniu vienam izoterminio paviršiaus normalios ilgio vienetui. , W / m K .
Dešinėje pusėje esantis minuso ženklas rodo priešingą šilumos srauto kryptį ir temperatūros pokyčius kūne. Šilumos laidumo koeficientas priklauso nuo cheminė sudėtis kūnus, jų struktūrą, tankį, drėgmę, slėgį, temperatūrą ir yra nuo 0,01 iki 400 W / (m K).
Kūnai, turintys λ <0,2 Вт/(м·К), называются šilumos izoliatoriai. Geri šilumos laidininkai yra kūnai, turintys λ >20 W/(m K).
Mažiausios vertybės dujų šilumos laidumo koeficientas (nuo 0,01 iki 1 W / (m K)), didžiausias - metalai (sidabras - 410, varis -
360, aliuminio - 200-300, plieno - 45-55 W / (m K)).
Furjė šilumos lygtis yra matematinis temperatūros kaitos proceso bet kurioje kūno vietoje, kurį sukelia šilumos perdavimas, aprašymas.
Šilumos laidumo lygtys paprastai analitiškai išsprendžiamos konkrečioms proceso sąlygoms, naudojant žinomas unikalumo sąlygas.
Praktikoje tenka susidurti su įvairiomis šilumos laidumo problemomis, kurios sutartinai skirstomos į tris grupes:
1) stacionarus šilumos laidumas, kai temperatūros pasiskirstymas kūne išlieka nepakitęs laike ir atitinkamai šilumos srauto tankis yra pastovus. Šilumos mainų procesai šildymo prietaisuose ir aparatuose, atitveriančiose pastato konstrukcijų konstrukcijose esant ilgalaikei pastoviai lauko ir vidinė aplinka gali būti laikomas nepriklausomu nuo laiko;
2) nestacionarus šilumos laidumas, kai temperatūros laukas kinta laikui bėgant. Nestacionarus šilumos laidumas stebimas, pavyzdžiui, kūnų kaitinimo ir vėsinimo metu, kai iki šiluminio poveikio pradžios visos kūno masės temperatūra buvo vienoda;
3) temperatūros bangos kūnuose, kuriuos periodiškai veikia šiluminis poveikis. Pavyzdžiui, metiniai temperatūros svyravimai paviršiniame žemės sluoksnyje, kasdieniniai lauko oro temperatūros svyravimai ir, jų įtakoje, atitveriančių konstrukcijų paviršių temperatūra.
Žemiau pateikiamas konkretus Furjė lygties sprendimas dviem stacionaraus šilumos laidumo problemoms.
1. Vienmatis šilumos pasiskirstymas plokščioje sienoje (3.2 pav.). Šilumos srautas plokščioje sienoje lygus
žinios F 1 ir F 2, °С.
Skirta sumuštinei sienai su sluoksnių storiais δi ir šilumos laidumo koeficientai λišilumos srauto lygtis apibendrinta taip:
kur α - konvekcinio šilumos perdavimo koeficientas, apibūdinantis šilumos perdavimo konvekcija intensyvumą, W / (m 2 K); t- skysčio temperatūra toliau nuo sienos, °С; t g- sienos paviršiaus temperatūra, °С; F- šilumą priimantis kūno paviršius, m 2.
Vienas iš pagrindinių konvekcinio šilumos perdavimo teorijos uždavinių yra nustatyti šilumos perdavimo koeficiento reikšmę konkrečioms proceso sąlygoms.
Pagal sumą α Įtakoja daug veiksnių, iš kurių pagrindiniai yra konvekcijos pobūdis, judėjimo būdas, skysčio fizikinės savybės, šilumos mainuose dalyvaujančių kūnų paviršiaus geometrinės ypatybės.
Konvekcija vadinama Laisvas, jei jis atsiranda dėl slėgio skirtumo (tankio) dėl skysčio temperatūros lauko nehomogeniškumo. Virš įkaitusių kūnų paviršiaus galima stebėti laisvosios konvekcijos reiškinį, kai šalia šių paviršių išsidėsčiusios oro dalelės įkaista, kyla aukštyn, o į jų vietą veržiasi šaltos oro masės (3.4 pav.).
Laisva konvekcija natūraliai vyksta bet kuriame tūryje, kur yra skirtingos temperatūros kūnų, ir vyksta kuo intensyviau, tuo didesnis temperatūrų skirtumas.
Ryžiai. 3.4. Laisva konvekcija: a- vertikali šildoma siena; b- horizontali plokštė; in– horizontali krosnelė, šildoma iš apačios
priverstinė konvekcija vadinamas šilumos perdavimu skysčiui judant, veikiant išorinėms jėgoms, pavyzdžiui, sukuriamas siurblio, ventiliatoriaus, kompresoriaus. Šiuo atveju šilumos perdavimo intensyvumas yra didesnis, tuo didesnis skysčio, plaunančio kūnų paviršius, srauto greitis.
Šilumos perdavimo intensyvumo padidėjimo, didėjant tėkmės greičiui, priežastis yra skysčių judėjimo būdo keitimas, perėjimas iš laminarinio į turbulentinį judėjimą (žr. 3.1 pav.).
Laminariniame sraute šiluminė energija perduodama šilumos laidumo ir skersinės masės difuzijos būdu. Tokio energijos perdavimo intensyvumas priklauso nuo terpės savybių, o kuo mažiau, tuo didesnis srauto storis. Turbulentiniame sraute energija iš skysčio į sieną perduodama maišant mases, o tik ribiniame sluoksnyje - šilumos laidumu. Todėl šilumos perdavimo intensyvumas turbulentiniame sraute yra didesnis nei laminariniame.
Laminarinius ir turbulentinius skysčių srautus galima stebėti tiek priverstinai, tiek po žeme laisvas judėjimas. Tačiau pastaruoju atveju šie režimai sukuriami tik šiluminio veikimo sąlygomis, o priverstinio judėjimo metu naudojami dirbtiniai skysčio srauto įtakos metodai.
Konvekcinio šilumos perdavimo intensyvumas taip pat priklauso nuo fizinių skysčio savybių, apibūdinamų šilumos laidumo ir šiluminės difuzijos koeficientų, šiluminės talpos, tūrio plėtimosi koeficientų ir kinematinės klampos dydžiu.
Konvekcinio šilumos perdavimo geometrines sąlygas lemia kūno forma, matmenys ir paviršiaus, kuriuo teka skystis, pobūdis.
Pagal geometrines sąlygas išskiriamas šilumos perdavimas vidiniam skysčio tekėjimui vamzdžiuose, kanaluose ( vidinė užduotis) ir išorinis paviršių plovimas srove (išorinė užduotis). Esant išoriniam srautui, srautas gali būti išilginis didžiausias dydis paviršinis arba skersinis (pavyzdžiui, kai teka aplink vamzdžių pluoštą, esantį statmenai tekėjimo krypčiai).
Visais atvejais geometrinės sąlygos turi didelę įtaką greičių ir temperatūrų pasiskirstymui sraute, judėjimo būdui, keičiant šilumos perdavimo intensyvumą. Norint atsižvelgti į šiuos veiksnius, būtina nurodyti būdingus kūno matmenis ir formą.
Šilumos perdavimo koeficientų reikšmės įvairios užduotys konvekcinis šilumos perdavimas nustatomas sprendžiant kriterines lygtis, kurių pagalba apibendrinami eksperimentinių tyrimų duomenys, pavyzdžiui, laisvai konvekcijai, formos lygtis
kur Nu l -Nusselto kriterijus; α - konvekcinės šilumos koeficientas
Grashof; g- gravitacijos pagreitis, m/s 2 ; β - tūrinis koeficientas
Reinoldsas; NUO, n, m- eksperimentiniai koeficientai, - skysčio greitis, m/s.
Elektroterminiai procesai yra susiję su elektros energijos pavertimu šilumine energija, perduodant šiluminę energiją kūno viduje (kietos, skystos, dujinės) arba iš vieno tūrio į kitą pagal šilumos perdavimo dėsnius.
Šilumos perdavimas (šilumos mainai) – tai šilumos perdavimas iš vienos erdvės dalies į kitą, iš vieno kūno į kitą arba kūno viduje iš vienos jo dalies į kitą. Nepakeičiama šilumos perdavimo sąlyga yra temperatūrų skirtumas tarp atskirų kūnų ar kūnų dalių.
Yra stacionarus ir nestacionarus šilumos perdavimas (2.1 pav.).
Yra trys šilumos perdavimo tipai, trys skirtingi šilumos perdavimo būdai (2.2 pav.).
Šilumos laidumą lemia mikrodalelių (molekulių, atomų, elektronų) šiluminis judėjimas ir energetinė sąveika, didesnę energiją turinčios dalelės (labiau įkaistančios, todėl ir judresnės) dalį savo energijos atiduoda mažiau įkaitusioms (mažiau judrioms). Šilumos perdavimo greitis šiuo atveju priklauso nuo fizines savybes medžiaga, ypač jos tankis. Tankiems kūnams (metaliniams) šilumos perdavimo greitis didesnis, porėtiesiems (polistirenui) – mažesnis.
Šilumos srautas per plokščią sieną pastovioje būsenoje (nustatomas Furjė dėsniu) yra proporcingas sienos paviršiaus temperatūrų skirtumui ir atvirkščiai proporcingas sienos šiluminei varžai.
Kai šiluma perduodama spinduliuote, energija perduodama forma elektromagnetines bangas. Toks šilumos perdavimas gali vykti tik šiems spinduliams skaidrioje terpėje.
Kiekvienas nepermatomas šildomas kūnas skaidrioje terpėje spinduliuoja spinduliavimo energiją visomis kryptimis, sklindančia šviesos greičiu. Susitikus su kitais visiškai arba iš dalies nepermatomais kūnais, ši spinduliavimo energija vėl paverčiama (visa arba iš dalies) į šilumą, kaitindama šiuos kūnus. Vadinasi, spinduliavimo šilumos perdavimą lydi dviguba energijos transformacija – šiluminė energija į spinduliavimo energiją, o vėliau spinduliavimo energija į šiluminę energiją.
Jei kūnų, tarp kurių vyksta spinduliuotės šilumos mainai, temperatūros yra skirtingos, tai dėl šilumos mainų tarp jų šiluma iš labiau įkaitinto kūno pereis į mažiau įkaitintą, vienas iš jų įkais ir kitas sumažins temperatūrą.
Kai šildomas kūnas spinduliuoja į neribotą erdvę (su vienpusiu šilumos perdavimu), spinduliavimo šilumos srautas yra proporcingas nuolatinei visiškai juodo kūno spinduliuotės koeficientui, kūno juodumo laipsniui, skaičiais lygiam jo sugeriamumui ir absoliuti įkaitusio kūno temperatūra.
Ryžiai. 2.2. Šilumos perdavimo klasifikacija pagal šilumos perdavimo būdą
Analitinis problemų, susijusių su konvekciniu šilumos perdavimu, sprendimas kelia didelių sunkumų, nes šis procesas aprašytas sudėtinga sistema diferencialines lygtis. Todėl konvekcinio šilumos perdavimo uždaviniai sprendžiami naudojant eksperimentiniu būdu gautas konstantas ir dydžius. Konvekcinio šilumos perdavimo šilumos srautas nustatomas remiantis Niutono-Richmanno dėsniu. Pagal šį dėsnį šilumos srautas yra tiesiogiai proporcingas plovimo paviršiui, aušinimo skysčio judėjimo režimui (šilumos perdavimo koeficientui) ir temperatūrų skirtumui tarp sienos ir dujų ar skysčio.
Šiandien pabandysime rasti atsakymą į klausimą „Šilumos perdavimas yra?..“. Straipsnyje mes apsvarstysime, kas yra procesas, kokie jo tipai egzistuoja gamtoje, taip pat išsiaiškinsime, koks yra šilumos perdavimo ir termodinamikos ryšys.
Apibrėžimas
Šilumos perdavimas – fizinis procesas, kurio esmė – perdavimas.Apykaitos vyksta tarp dviejų kūnų arba jų sistemos. Šiuo atveju būtina sąlyga yra šilumos perdavimas iš labiau įkaitintų kūnų į mažiau įkaitusius.
Proceso ypatybės
Šilumos perdavimas yra tokio paties tipo reiškinys, kuris gali atsirasti tiek esant tiesioginiam sąlyčiui, tiek su skiriamosiomis pertvaromis. Pirmuoju atveju viskas aišku, antruoju kūnai, medžiagos ir laikmenos gali būti naudojamos kaip kliūtys. Šilumos perdavimas įvyks tais atvejais, kai sistema, susidedanti iš dviejų ar daugiau kūnų, nėra būsenos šiluminė pusiausvyra. Tai yra, vieno iš objektų temperatūra yra aukštesnė arba žemesnė, palyginti su kitu. Čia vyksta šilumos energijos perdavimas. Logiška manyti, kad jis baigsis, kai sistema pasieks termodinaminės arba šiluminės pusiausvyros būseną. Procesas vyksta spontaniškai, o tai gali mums pasakyti
Rūšys
Šilumos perdavimas yra procesas, kurį galima suskirstyti į tris būdus. Jie turės pagrindinį pobūdį, nes juose galima išskirti tikras subkategorijas, turinčias savo būdingus bruožus ir bendrus modelius. Iki šiol įprasta išskirti tris.Tai šilumos laidumas, konvekcija ir spinduliuotė. Pradėkime nuo pirmojo, manau.
Būdai
Tai yra to ar ano nuosavybės pavadinimas materialus kūnas atlikti energijos perdavimą. Tuo pačiu metu jis perkeliamas iš karštesnės dalies į šaltesnę. Šis reiškinys pagrįstas chaotiško molekulių judėjimo principu. Tai vadinamasis Brauno judėjimas. Kuo aukštesnė kūno temperatūra, tuo aktyviau jame juda molekulės, nes jos turi daugiau kinetinės energijos. Elektronai, molekulės, atomai dalyvauja šilumos laidumo procese. Jis atliekamas kūnuose, kurių skirtingų dalių temperatūra skiriasi.
Jei medžiaga gali praleisti šilumą, galime kalbėti apie kiekybinės charakteristikos buvimą. Šiuo atveju jo vaidmenį atlieka šilumos laidumo koeficientas. Ši charakteristika parodo, kiek šilumos praeis per vienetinius ilgio ir ploto rodiklius per laiko vienetą. Tokiu atveju kūno temperatūra pasikeis tiksliai 1 K.
Anksčiau buvo manoma, kad šilumos mainai įvairiuose kūnuose (taip pat ir uždarų konstrukcijų šilumos perdavimas) vyksta dėl to, kad vadinamosios kalorijos teka iš vienos kūno dalies į kitą. Tačiau niekas nerado faktinio jo egzistavimo požymių, o kai molekulinė-kinetinė teorija išsivystė iki tam tikro lygio, visi pamiršo galvoti apie kaloringumą, nes hipotezė pasirodė nepagrįsta.
Konvekcija. Vandens šilumos perdavimas
Šis šilumos energijos mainų būdas suprantamas kaip perdavimas vidiniais srautais. Įsivaizduokime vandens virdulį. Kaip žinia, karštesnės oro srovės kyla į viršų. O šalti, sunkesni skęsta žemyn. Taigi kodėl vanduo turėtų būti kitoks? Su ja lygiai tas pats. Ir tokio ciklo metu visi vandens sluoksniai, nesvarbu, kiek jų yra, įkais, kol atsiras šiluminės pusiausvyros būsena. Tam tikromis sąlygomis, žinoma.
Radiacija
Šis metodas pagrįstas elektromagnetinės spinduliuotės principu. Jis ateina iš vidinės energijos. Į teoriją daug nesigilinsime, tiesiog pastebėsime, kad priežastis čia slypi įkrautų dalelių, atomų ir molekulių išsidėstymuose.
Paprastos šilumos laidumo problemos
Dabar pakalbėkime apie tai, kaip šilumos perdavimo apskaičiavimas atrodo praktiškai. Išspręskime paprastą problemą, susijusią su šilumos kiekiu. Tarkime, kad mūsų vandens masė lygi pusei kilogramo. Pradinė vandens temperatūra – 0 laipsnių Celsijaus, galutinė – 100. Raskime, kiek šilumos išleidome šiai medžiagos masei pašildyti.
Norėdami tai padaryti, mums reikia formulės Q \u003d cm (t 2 -t 1), kur Q yra šilumos kiekis, c yra savitasis m yra medžiagos masė, t 1 yra pradinė, t 2 yra galutinė temperatūra. Vandeniui c reikšmė yra lentelė. Specifinė šiluma bus lygus 4200 J / kg * C. Dabar mes pakeičiame šias reikšmes į formulę. Gauname, kad šilumos kiekis bus lygus 210 000 J arba 210 kJ.
Pirmasis termodinamikos dėsnis
Termodinamika ir šilumos perdavimas yra tarpusavyje susiję tam tikrais dėsniais. Jie pagrįsti žiniomis, kad vidinės energijos pokyčius sistemoje galima pasiekti dviem būdais. Pirmasis yra mechaninis darbas. Antrasis yra tam tikro šilumos kiekio perdavimas. Beje, šiuo principu pagrįstas pirmasis termodinamikos dėsnis. Štai jo formuluotė: jei sistemai buvo perduotas tam tikras šilumos kiekis, jis bus išleistas darbui su išoriniais kūnais arba vidinei energijai didinti. Matematinis žymėjimas: dQ = dU + dA.
Pliusai ar minusai?
Absoliučiai visi dydžiai, įtraukti į pirmojo termodinamikos dėsnio matematinį žymėjimą, gali būti parašyti tiek pliuso, tiek minuso ženklu. Be to, jų pasirinkimą lems proceso sąlygos. Tarkime, kad sistema gauna tam tikrą šilumos kiekį. Tokiu atveju jame esantys kūnai įkaista. Todėl dujos plečiasi, vadinasi, darbas atliktas. Dėl to vertės bus teigiamos. Jei šilumos kiekis atimamas, dujos atvėsta ir su jais dirbama. Vertės bus pakeistos.
Alternatyvi pirmojo termodinamikos dėsnio formuluotė
Tarkime, kad turime periodiškai veikiantį variklį. Joje darbo kūnas (arba sistema) atlieka žiedinį procesą. Paprastai tai vadinama ciklu. Dėl to sistema grįš į pradinę būseną. Būtų logiška manyti, kad tokiu atveju vidinės energijos pokytis bus nulis. Pasirodo, šilumos kiekis bus lygus atliktam darbui. Šios nuostatos leidžia kitaip suformuluoti pirmąjį termodinamikos dėsnį.
Iš to galime suprasti, kad pirmosios rūšies amžinasis variklis negali egzistuoti gamtoje. Tai yra įrenginys, kuris veikia didesniu kiekiu, palyginti su energija, gaunama iš išorės. Tokiu atveju veiksmai turi būti atliekami periodiškai.
Pirmasis izoprocesų termodinamikos dėsnis
Pirmiausia panagrinėkime izochorinį procesą. Jis palaiko pastovų garsumą. Tai reiškia, kad tūrio pokytis bus lygus nuliui. Todėl darbas taip pat bus lygus nuliui. Išmeskime šį terminą iš pirmojo termodinamikos dėsnio, po kurio gauname formulę dQ = dU. Tai reiškia, kad izochoriniame procese visa į sistemą tiekiama šiluma eina dujų ar mišinio vidinės energijos didinimui.
Dabar pakalbėkime apie izobarinį procesą. Pastovi vertė jame yra spaudimas. Tokiu atveju lygiagrečiai su darbu keisis ir vidinė energija. Čia yra pradinė formulė: dQ = dU + pdV. Nesunkiai galime paskaičiuoti atliktus darbus. Jis bus lygus išraiškai uR(T 2 -T 1). Beje, tai yra fizinę reikšmę universali dujų konstanta. Esant vienam moliui dujų ir vieno kelvino temperatūrų skirtumui, universali dujų konstanta bus lygi darbui, atliktam izobariniame procese.
Šilumos mainai- tai vidinės energijos keitimo procesas neatliekant darbo nei kūnui, nei pačiam kūnui.
Šilumos perdavimas visada vyksta tam tikra kryptimi: nuo aukštesnės temperatūros kūnų iki žemesnės temperatūros.
Kai kūnų temperatūra išsilygins, šilumos perdavimas sustoja.
Šilumos mainai gali būti atliekami trimis būdais:
- šilumos laidumas
- konvekcija
- radiacija
Šilumos laidumas
Šilumos laidumas- vidinės energijos perdavimo iš vienos kūno dalies į kitą arba iš vieno kūno į kitą reiškinys tiesioginiu jų kontaktu.
Metalai turi didžiausią šilumos laidumą- jie turi šimtus kartų daugiau nei vanduo. Išimtys yra gyvsidabris ir švinas., bet ir čia šilumos laidumas yra dešimtis kartų didesnis nei vandens.
Nuleidžiant metalinę adatą į stiklinę su karštas vanduo labai greitai stipino galas tapo karštas. Vadinasi, vidinė energija, kaip ir bet kuri energija, gali būti perduota iš vieno kūno į kitą. Vidinė energija taip pat gali būti perkelta iš vienos kūno dalies į kitą. Taigi, pavyzdžiui, jei vienas nago galas kaitinamas liepsnoje, tai kitas jo galas, esantis rankoje, palaipsniui įkais ir sudegins ranką.
Keptuvės kaitinimas ant elektrinės viryklės vyksta šilumos laidumu.
Ištirkime šį reiškinį atlikdami daugybę eksperimentų su kietosiomis medžiagomis, skysčiais ir dujomis.
Įveskime medinio pagaliuko galą į ugnį. Jis užsidegs. Kitas lazdos galas, kuris yra lauke, bus šaltas. Reiškia, mediena turi prastą šilumos laidumą.
Plonos stiklinės lazdelės galą prikeliame prie alkoholio lempos liepsnos. Po kurio laiko jis įkais, o kitas galas liks šaltas. Todėl ir stiklas turi prastą šilumos laidumą.
Jei kaitinsime metalinio strypo galą liepsnoje, labai greitai visas strypas labai įkais. Nebegalime jo laikyti rankose.
Reiškia, metalai gerai praleidžia šilumą, tai yra, turi didelį šilumos laidumą. Sidabras ir varis turi didžiausią šilumos laidumą..
Šilumos laidumas y įvairių medžiagų skirtinga.
Vilna, plaukai, paukščių plunksnos, popierius, kamštiena ir kiti poringi kūnai turi prastą šilumos laidumą. Taip yra dėl to, kad tarp šių medžiagų pluoštų yra oro. Vakuumas (iš oro išlaisvinta erdvė) turi mažiausią šilumos laidumą. Tai paaiškinama tuo, kad šilumos laidumas – tai energijos perdavimas iš vienos kūno dalies į kitą, vykstantis molekulėms ar kitoms dalelėms sąveikaujant. Erdvėje, kurioje nėra dalelių, šilumos laidumas negali vykti.
Jei reikia apsaugoti kūną nuo atšalimo ar įkaitimo, tada naudojamos medžiagos, kurių šilumos laidumas yra mažas. Taigi, puodams, keptuvėms, plastikinėms rankenoms. Namai statomi iš rąstų ar plytų, kurių šilumos laidumas yra prastas, todėl yra apsaugotas nuo atšalimo.
Konvekcija
Konvekcija yra šilumos perdavimo procesas, atliekamas perduodant energiją skysčių arba dujų srautais.
Konvekcijos reiškinio pavyzdys: mažas popierinis ratukas, uždėtas virš žvakės liepsnos ar elektros lemputės, pradeda suktis, veikiamas kylančio įkaitusio oro. Šį reiškinį galima paaiškinti taip. Oras, kontaktuodamas su šilta lempa, įkaista, plečiasi ir tampa mažiau tankus nei jį supantis šaltas oras. Archimedo jėga, veikianti šiltą orą iš šaltosios pusės į viršų, yra didesnė už gravitacijos jėgą, veikiančią šiltą orą. Dėl to įkaitęs oras „plaukia“, kyla aukštyn, o jo vietą užima šaltas oras.
Konvekcijoje energija perduodama pačių dujų ar skysčio srovėmis.
Yra du konvekcijos tipai:
- natūralus (arba nemokamas)
- priverstas
Kad skysčiuose ir dujose vyktų konvekcija, būtina juos šildyti iš apačios.
Konvekcija negali atsirasti kietose medžiagose.
Radiacija
Radiacija- elektromagnetinė spinduliuotė, kurią tam tikroje temperatūroje skleidžia medžiagos vidinė energija.
Objekto, atitinkančio juodojo kūno kriterijus, šiluminės spinduliuotės galią apibūdina Stefano-Boltzmanno dėsnis.
Apibūdinamas kūnų emisijos ir sugeriamųjų gebėjimų santykis Kirchhoffo radiacijos dėsnis.
Energijos perdavimas spinduliuote skiriasi nuo kitų šilumos perdavimo rūšių: tai gali būti atliktas visiškame vakuume.
Energiją spinduliuoja visi kūnai: ir stipriai įkaitę, ir silpnai, pavyzdžiui, žmogaus kūnas, orkaitė, elektros lemputė ir t.t. Tačiau kuo aukštesnė kūno temperatūra, tuo daugiau energijos jis perduoda spinduliuote. Šiuo atveju energiją šie kūnai iš dalies sugeria ir iš dalies atspindi. Kai energija absorbuojama, kūnai įkaista įvairiais būdais, priklausomai nuo paviršiaus būklės.
Tamsaus paviršiaus kūnai geriau sugeria ir spinduliuoja energiją nei šviesaus paviršiaus kūnai. Tuo pačiu metu kūnai su tamsiu paviršiumi vėsinami greitesnis būdas spinduliuotę nei šviesaus paviršiaus kūnai. Pavyzdžiui, šviesiame arbatinuke karštas vanduo išlaiko šilumą ilgiau nei tamsoje.
