Описание и анализ процесса

Нагревание — это повышение температуры тела. Температура Т есть параметр состояния системы, находящейся в термодинамическом равновесии, а внутренняя энергия U — функция состояния. Это означает, что в данном состоянии система обладает определенными температурой и внутренней энергией, которые не зависят от того, каким образом система приведена в это состояние. Это — экспериментальный факт.

Переход системы из одного состояния в другое происходит в результате теплообмена или совершения механической работы. Поэтому количество теплоты Q, как и работа, А над системой (или работа А' системы над внешними телами), связано не с внутренней энергией системы, а с ее приращением. В соответствии с первым законом термодинамики, ДU = Q + А или Q = ДU + А' (1).

Таким образом, сообщение телу некоторого количества теплоты вовсе необязательно ведет к его нагреванию. Приведем примеры. Веществу, нагретому до температуры плавления, для плавления требуется определенное количество теплоты, хотя температура при плавлении будет оставаться неизменной. При изотермическом расширении температура газа остается одной и той же, хотя к газу подводится тепло. В первом случае тепло идет не на изменение средней кинетической энергии хаотического движения молекул вещества, мерой которого и является температура, а на изменение потенциальной энергии их взаимодействия. Во втором случае все тепло идет на совершение газом работы над внешними телами.

Далее, передача одного и того же количества теплоты двум системам, находящимся в совершенно одинаковых начальных состояниях, может привести к их различному нагреванию. Например, при сообщении идеальному газу в цилиндре под подвижным поршнем некоторого количества теплоты он нагреется меньше, чем тот же газ, но под неподвижным поршнем. Это происходит потому, что при изобарном нагревании передаваемое газу тепло идет не только на увеличение его внутренней энергии, но и на совершение им работы, в то время как при изохорном нагревании — только на увеличение его внутренней энергии.

Нагреть вещество, т. е. повысить его температуру, можно и не сообщая ему количества теплоты, а совершив над ним работу — например, потерев монету о сукно или быстро сжав газ насосом. Наконец, бывает и так, что телу сообщают тепло, а оно охлаждается. Соответствующий пример приведем попозже, а пока заметим, что возможность такого случая следует из первого закона термодинамики. Так, применительно к идеальному газу при А' > Q из соотношения Q = ДU + А' следует, что ДU < 0, т. е. T₂ < T₁ (для идеального газа U прямо пропорционально Т).

Скорость тепловых процессов определяется законами теплопередачи. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, конденсация, кипение, выпаривание, а также холодильные процессы. Скоростью теплового процесса называется количество теплоты Qv, передаваемое через единицу площади S в единицу времени ф. Основная кинетическая закономерность заключается в следующем: скорость теплового процесса прямо пропорциональна движущей силе Дt и обратно пропорциональна сопротивлению R. В течение элементарного отрезка времени dф скорость теплового процесса dQv/(S•dф) выражается уравнением.

dQv/(S•dф) = Дt /R (2).

Движущей силой тепловых процессов является разность температур между теплоносителями (или теплоносителем и стенкой). Отношение 1/R = k называется коэффициентом скорости теплового процесса (коэффициент теплопередачи, теплоотдачи).

Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называют теплоносителями (один, более нагретый — горячим, а другой, менее нагретый — холодным теплоносителем).

Необходимым условием передачи тепла является неравенство температур в различных точках данного тела или пространства. Поэтому величина теплового потока, возникающего в среде, зависит от распределения температур в среде или характера температурного поля. Под температурным полем понимают совокупность мгновенных значений температур во всех точках рассматриваемой среды.

Геометрическое место всех точек с одинаковой температурой представляет собой изотермическую поверхность. Изотермические поверхности не пересекаются друг с другом, так как тогда их пересечения имели бы различные температуры.

Пусть температура одной изотермической поверхности T, а другой, близлежащей изотермической поверхности, T + ДT. Предел отношения разности температур ДT этих двух поверхностей к расстоянию по нормали Дl между ними называют температурным градиентом, который представляет собой производную от температуры по нормали к изотермической поверхности. При dT/dl = 0 наступает равновесие — поток теплоты прекращается. Температурный градиент является мерой интенсивности изменения температуры в данной точке. Направление теплового потока всегда совпадает с направлением падения температуры в данной точке. Тогда удельный поток теплоты q (количество теплоты, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени) будет равен q? (- dT/dl). Таким образом, в отличие от температуры, которая является скаляром, плотность потока теплоты представляет собой векторную величину.

Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей в трубах и каналах. Обычно в теплообменных аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чаще всего в технике формируется поверхность теплопередачи. Поэтому для расчета и рациональной эксплуатации теплообменников очень важно знание основных закономерностей переноса теплоты при движении теплоносителя в трубах.

При ламинарном движении теплоносителя, равномерном распределении скорости и температуры на начальном участке трубы у поверхности стенки образуются (рис. 1.1, а) пограничные слои толщиной дr, (гидродинамический) и дt, (тепловой). Толщина этих слоев по мере удаления от входа увеличивается, и на некотором расстоянии, называемом длиной участка гидродинамической (lr) и тепловой (lt) стабилизации, они смыкаются. При этом коэффициент теплоотдачи изменяется (рис. 1.2, б) от максимального значения на входе до практически неизменного после смыкания пограничных слоев. Явление резкого увеличения скорости переноса субстанции (в данном случае — теплоты) при входе потока в аппарат получило название «входной эффект». Очевидно, что для создания условий повышенных значений коэффициентов теплоотдачи целесообразно формировать теплообменники с длиной труб, незначительно превышающей lt. теплообмен кожухотрубчатый нагревание Теплоотдача при вынужденном поперечном обтекании труб. Для того чтобы лучше понять зависимость коэффициента теплоотдачи от гидродинамических условий обтекания теплоносителем наружной поверхности труб. При поперечном обтекании трубы на лобовой части ее поверхности образуется ламинарный пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается. При обтекании лобовой части трубы сечение потока уменьшается, скорость жидкости увеличивается, а давление у поверхности падает. В кормовой части трубы давление увеличивается, так как скорость уменьшается; скорость жидкости в пограничном слое также снижается, а начиная с некоторого сечения частицы движутся в обратном направлении, образуя вихри, которые периодически отрываются с поверхности трубы и уносятся потоком. При этом соответственно изменяется значение локального коэффициента теплоотдачи по поверхности (окружности) трубы.

Максимальное значение на лобовой образующей трубы, где толщина пограничного слоя мала. Затем коэффициент теплоотдачи снижается за счет увеличения дr .

Теплоотдача при естественной конвекции. Этот вид теплоотдачи возникает при движении теплоносителя за счет разности плотностей в различных точках его объема: более нагретые макрочастицы среды, имеющие меньшую плотность, поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз и затем, нагревшись, также движутся вверх. Таким образом возникают конвекционные токи теплоносителя. В этом случае теплоотдача должна зависеть от формы и размеров поверхности нагрева или охлаждения, температуры этой поверхности, физических свойств теплоносителя. Очевидно, что при естественной конвекции скорость движения теплоносителя может быть выражена как функция этих факторов. Поэтому критерий Рейнольдса из обобщенного уравнения теплоотдачи при естественной конвекции может быть исключен.