Теплопередача -Heat transfer

Моделирование тепловой конвекции в мантии Земли . Цвета варьируются от красного и зеленого до синего при понижении температуры. Горячий, менее плотный нижний пограничный слой направляет шлейфы горячего материала вверх, а холодный материал сверху движется вниз.

Теплопередача — это дисциплина теплотехники , которая касается генерации, использования, преобразования и обмена тепловой энергией ( теплом ) между физическими системами. Теплопередача классифицируется по различным механизмам, таким как теплопроводность , тепловая конвекция , тепловое излучение и передача энергии путем фазовых переходов . Инженеры также учитывают перенос массы различных химических веществ (перенос массы в форме адвекции), холодный или горячий, для достижения теплопередачи. Хотя эти механизмы имеют разные характеристики, они часто проявляются одновременно в одной и той же системе.

Теплопроводность, также называемая диффузией, представляет собой прямой микроскопический обмен кинетической энергией частиц (таких как молекулы) или квазичастиц (таких как волны решетки) через границу между двумя системами. Когда объект имеет температуру , отличную от температуры другого тела или его окружения, тепло течет так, что тело и окружение достигают одинаковой температуры, и в этот момент они находятся в тепловом равновесии . Такой самопроизвольный перенос тепла всегда происходит из области с высокой температурой в другую область с более низкой температурой, как описано во втором законе термодинамики .

Тепловая конвекция возникает, когда объемный поток жидкости (газа или жидкости) переносит свое тепло через жидкость. Все конвективные процессы также частично перемещают тепло за счет диффузии. Течение жидкости может быть вызвано внешними процессами или иногда (в гравитационных полях) силами плавучести, возникающими, когда тепловая энергия расширяет жидкость (например, в огненном шлейфе), что влияет на ее собственный перенос. Последний процесс часто называют «естественной конвекцией». Первый процесс часто называют «принудительной конвекцией». В этом случае жидкость принудительно течет с помощью насоса, вентилятора или других механических средств.

Тепловое излучение происходит через вакуум или любую прозрачную среду ( твердую , жидкую или газообразную ). Это передача энергии с помощью фотонов или электромагнитных волн, подчиняющаяся тем же законам.

Обзор

Интенсивность длинноволнового теплового излучения Земли от облаков, атмосферы и поверхности.

Теплопередача – это обмен энергией между материалами (твердые/жидкие/газообразные) в результате разницы температур. Термодинамическая свободная энергия — это количество работы, которую может выполнить термодинамическая система. Энтальпия – это термодинамический потенциал , обозначаемый буквой «H», то есть сумма внутренней энергии системы (U) плюс произведение давления (P) на объем (V). Джоуль — это единица измерения энергии , работы или количества тепла.

Теплопередача — это функция процесса (или функция пути), в отличие от функций состояния ; поэтому количество тепла, передаваемого в термодинамическом процессе , который изменяет состояние системы , зависит от того, как происходит этот процесс, а не только от чистой разницы между начальным и конечным состояниями процесса.

Термодинамическая и механическая теплопередача рассчитывается с помощью коэффициента теплопередачи , пропорциональности между тепловым потоком и термодинамической движущей силой для потока тепла. Тепловой поток — это количественное векторное представление теплового потока через поверхность.

В инженерном контексте термин « тепло» используется как синоним тепловой энергии. Это употребление берет свое начало в исторической интерпретации тепла как жидкости ( калорийной ), которая может передаваться по разным причинам, и это также распространено в языке непрофессионалов и в повседневной жизни.

Уравнения переноса тепловой энергии ( закон Фурье ), механического импульса ( закон Ньютона для жидкостей ) и переноса массы ( законы диффузии Фика ) аналогичны, и аналогии между этими тремя транспортными процессами были разработаны для облегчения прогнозирования преобразования из любого из них. другим.

Теплотехника касается производства, использования, преобразования, хранения и обмена теплопередачей. Таким образом, теплопередача задействована практически во всех отраслях экономики. Теплопередача классифицируется по различным механизмам, таким как теплопроводность , тепловая конвекция , тепловое излучение и передача энергии путем фазовых переходов .

Механизмы

Четыре основных режима теплопередачи на примере костра.

К основным способам теплопередачи относятся:

Адвекция: Адвекция - это механизм переноса жидкости из одного места в другое, зависящий от движения и импульса этой жидкости.
Проводимость или диффузия: Передача энергии между объектами, находящимися в физическом контакте. Теплопроводность — это свойство материала проводить тепло и оценивается в первую очередь с точки зрения закона Фурье для теплопроводности.
Конвекция: Передача энергии между объектом и окружающей средой за счет движения жидкости. Средняя температура является эталоном для оценки свойств, связанных с конвективной теплопередачей.
Радиация: Перенос энергии путем испускания электромагнитного излучения .

Адвекция

При перемещении материи энергия, включая тепловую энергию, перемещается путем физического переноса горячего или холодного объекта из одного места в другое. Это может быть так же просто, как налить горячую воду в бутылку и нагреть кровать, или движение айсберга в меняющихся океанских течениях. Практическим примером является теплогидравлика . Это можно описать формулой:

{\ displaystyle \ phi _ {q} = v \ rho c_ {p} \ Delta T}

где

${\ Displaystyle \ фи _ {д}}$ тепловой поток (Вт/м ² ),
${\ Displaystyle \ ро}$ плотность (кг/м ³ ),
${\ Displaystyle с_ {р}}$ – теплоемкость при постоянном давлении (Дж/кг·К),
${\ Displaystyle \ Дельта Т}$ разница температур (К),
${\ Displaystyle v}$ скорость (м/с).

Проводимость

В микроскопическом масштабе теплопроводность происходит, когда горячие, быстро движущиеся или вибрирующие атомы и молекулы взаимодействуют с соседними атомами и молекулами, передавая часть своей энергии (тепла) этим соседним частицам. Другими словами, тепло передается теплопроводностью, когда соседние атомы вибрируют друг относительно друга или когда электроны движутся от одного атома к другому. Теплопроводность является наиболее важным средством передачи тепла внутри твердого тела или между твердыми телами, находящимися в тепловом контакте . Жидкости, особенно газы, обладают меньшей проводимостью. Тепловая контактная проводимость - это исследование теплопроводности между твердыми телами, находящимися в контакте. Процесс передачи тепла из одного места в другое без движения частиц называется проводимостью, например, при помещении руки на холодный стакан с водой — тепло передается от теплой кожи к холодному стеклу, но если рука если держать его на расстоянии нескольких дюймов от стекла, теплопроводность будет незначительной, поскольку воздух плохо проводит тепло. Стационарная проводимость - это идеализированная модель проводимости, которая происходит, когда разница температур, управляющая проводимостью, постоянна, так что по прошествии времени пространственное распределение температур в проводящем объекте больше не меняется (см. Закон Фурье ) . В установившемся режиме теплопроводности количество тепла, поступающего в секцию, равно количеству тепла, выходящего из него, поскольку изменение температуры (мера тепловой энергии) равно нулю. Примером стационарной теплопроводности является поток тепла через стены теплого дома в холодный день: внутри дома поддерживается высокая температура, а снаружи низкая, поэтому передача тепла в единицу времени остается около постоянная скорость, определяемая изоляцией в стене, и пространственное распределение температуры в стенах будут примерно постоянными во времени.

Переходная теплопроводность (см. уравнение теплопроводности ) возникает, когда температура внутри объекта изменяется в зависимости от времени. Анализ переходных систем более сложен, и аналитические решения уравнения теплопроводности действительны только для идеализированных модельных систем. Практические приложения обычно исследуются с использованием численных методов, методов приближения или эмпирических исследований.

Конвекция

Течение жидкости может быть вызвано внешними процессами или иногда (в гравитационных полях) силами плавучести, возникающими, когда тепловая энергия расширяет жидкость (например, в огненном шлейфе), что влияет на ее собственный перенос. Последний процесс часто называют «естественной конвекцией». Все конвективные процессы также частично перемещают тепло за счет диффузии. Другой формой конвекции является принудительная конвекция. В этом случае жидкость принудительно течет с помощью насоса, вентилятора или других механических средств.

Конвективный теплообмен , или просто конвекция, представляет собой перенос тепла из одного места в другое за счет движения жидкостей , процесс, который по существу представляет собой перенос тепла посредством массообмена . Объемное движение жидкости усиливает теплопередачу во многих физических ситуациях, например, между твердой поверхностью и жидкостью. Конвекция обычно является доминирующей формой теплопередачи в жидкостях и газах. Хотя конвекция иногда рассматривается как третий метод теплопередачи, она обычно используется для описания комбинированных эффектов теплопроводности внутри жидкости (диффузии) и теплопередачи потоком объемного потока жидкости. Процесс переноса потоками жидкости известен как адвекция, но чистая адвекция — это термин, который обычно ассоциируется только с массовым переносом в жидкостях, например, с адвекцией гальки в реке. В случае переноса тепла в жидкостях, где перенос тепла в жидкости всегда также сопровождается переносом тепла путем диффузии (известного также как теплопроводность), под процессом конвекции понимается сумма переноса тепла путем адвекции и диффузия/проводимость.

Свободная, или естественная, конвекция возникает, когда объемные движения жидкости (потоки и течения) вызываются силами плавучести, возникающими в результате изменений плотности из-за изменений температуры жидкости. Вынужденная конвекция — это термин, используемый, когда потоки и потоки в жидкости индуцируются внешними средствами, такими как вентиляторы, мешалки и насосы, которые создают искусственно индуцированный конвекционный поток.

Конвекционное охлаждение

Конвективное охлаждение иногда описывают как закон охлаждения Ньютона :

Скорость потери тепла телом пропорциональна разности температур между телом и окружающей его средой .

Однако по определению справедливость закона Ньютона об охлаждении требует, чтобы скорость потери тепла в результате конвекции была линейной функцией («пропорциональной») разнице температур, которая управляет теплопередачей, а при конвективном охлаждении это иногда не так. . В общем, конвекция не зависит линейно от градиентов температуры , а в некоторых случаях сильно нелинейна. В этих случаях закон Ньютона не применяется.

Конвекция против проводимости

В массе жидкости, которая нагревается из-под своего сосуда, можно считать, что проводимость и конвекция конкурируют за доминирование. Если теплопроводность слишком велика, жидкость, движущаяся вниз за счет конвекции, нагревается за счет теплопроводности так быстро, что ее движение вниз будет остановлено из-за ее плавучести, в то время как жидкость, движущаяся за счет конвекции вверх, охлаждается теплопроводностью так быстро, что ее движущая плавучесть уменьшится. С другой стороны, если теплопроводность очень низкая, может образоваться большой температурный градиент и конвекция может быть очень сильной.

Число Рэлея ( ) является произведением чисел Грасгофа ( ) и Прандтля ( ). Это мера, которая определяет относительную силу проводимости и конвекции. ${\ Displaystyle \ mathrm {Ра}}$ ${\ Displaystyle \ mathrm {Gr}}$ ${\ Displaystyle \ mathrm {Pr}}$

{\ displaystyle \ mathrm {Ra} = \ mathrm {Gr} \ cdot \ mathrm {Pr} = {\ frac {g \ Delta \ rho L ^ {3}} {\ mu \ alpha}} = {\ frac {g \beta \Delta TL^{3}}{\nu \alpha }}}

где

g - ускорение свободного падения,
ρ - плотность, представляющая собой разницу плотностей между нижним и верхним концами, ${\ Displaystyle \ Дельта \ ро}$
μ — динамическая вязкость ,
α — коэффициент температуропроводности ,
β - объемное тепловое расширение (иногда обозначается α в другом месте),
Т - температура,
ν — кинематическая вязкость ,
L – характерная длина.

Число Рэлея можно понимать как отношение скорости теплопередачи конвекцией к скорости теплопередачи теплопроводностью; или, что то же самое, отношение между соответствующими шкалами времени (т. е. шкала времени проводимости, деленная на шкалу времени конвекции), с точностью до числового коэффициента. Это можно увидеть следующим образом, где все расчеты ведутся с числовыми коэффициентами в зависимости от геометрии системы.

Выталкивающая сила, управляющая конвекцией, примерно равна , поэтому соответствующее давление примерно равно . В устойчивом состоянии это компенсируется напряжением сдвига из-за вязкости и, следовательно, примерно равно , где V - типичная скорость жидкости из-за конвекции и порядок ее временной шкалы. С другой стороны, временная шкала проведения порядка . ${\ Displaystyle г \ Дельта \ ро L ^ {3}}$ ${\ Displaystyle г \ Дельта \ ро L}$ ${\ displaystyle \ mu V / L = \ mu / T _ {\ text {conv}}}$ ${\ Displaystyle Т _ {\ текст {конв.}}}$ ${\ displaystyle T _ {\ text {cond}} = L ^ {2} / \ alpha}$

Конвекция возникает, когда число Рэлея превышает 1000–2000.

Радиация

Раскаленный докрасна железный предмет, передающий тепло в окружающую среду посредством теплового излучения

Радиационный теплообмен — это передача энергии посредством теплового излучения , т. е. электромагнитных волн . Это происходит в вакууме или любой прозрачной среде ( твердом , жидком или газообразном ). Тепловое излучение испускается всеми объектами при температурах выше абсолютного нуля из-за случайных движений атомов и молекул в веществе. Поскольку эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц ( протонов и электронов ), их движение приводит к излучению электромагнитного излучения , уносящего энергию. Излучение обычно важно только в технических приложениях для очень горячих объектов или для объектов с большой разницей температур.

Когда объекты и расстояния, разделяющие их, велики по размеру и по сравнению с длиной волны теплового излучения, скорость переноса лучистой энергии лучше всего описывается уравнением Стефана-Больцмана . Для объекта в вакууме уравнение выглядит так:

{\ Displaystyle \ фи _ {q} = \ эпсилон \ сигма Т ^ {4}.}

Для переноса излучения между двумя объектами уравнение выглядит следующим образом:

{\ displaystyle \ phi _ {q} = \ epsilon \ sigma F (T_ {a} ^ {4} -T_ {b} ^ {4}),}

где

${\ Displaystyle \ фи _ {д}}$ это тепловой поток ,
${\ Displaystyle \ эпсилон}$ - коэффициент излучения (единица для черного тела ),
${\ Displaystyle \ сигма}$ – постоянная Стефана–Больцмана ,
${\ Displaystyle F}$ - коэффициент обзора между двумя поверхностями a и b, а
${\ Displaystyle Т_ {а}}$ и являются абсолютными температурами (в кельвинах или градусах Ранкина ) для двух объектов. ${\ Displaystyle Т_ {б}}$

Предел черного тела, установленный уравнением Стефана-Больцмана, может быть превышен, когда объекты, обменивающиеся тепловым излучением, или расстояния, разделяющие их, сравнимы по масштабу или меньше, чем доминирующая тепловая длина волны . Изучение этих случаев называется радиационным теплообменом в ближнем поле .

Солнечное излучение или солнечное излучение можно использовать для получения тепла и электроэнергии. В отличие от кондуктивных и конвективных форм теплопередачи, тепловое излучение, приходящее под узким углом, т. е. исходящее от источника, намного меньшего, чем его расстояние, может быть сконцентрировано в небольшом месте с помощью отражающих зеркал, что используется при концентрации солнечной энергии или горящее стекло . Например, солнечный свет, отраженный от зеркал, нагревает солнечную башню PS10 , а днем она может нагревать воду до 285 °C (545 °F).

Достижимая температура на мишени ограничена температурой горячего источника излучения. (Закон Т ⁴ позволяет обратному потоку излучения вернуться к источнику.) Горячее солнце (на его поверхности) с температурой около 4000 К позволяет грубо достичь 3000 К (или 3000 °С, что составляет около 3273 К) при небольшой зонд в фокусе большого вогнутого концентрирующего зеркала солнечной печи Мон-Луи во Франции.

Фаза перехода

Молния - это хорошо заметная форма передачи энергии и пример плазмы, присутствующей на поверхности Земли. Обычно молния разряжается до 30 000 ампер при напряжении до 100 миллионов вольт и излучает свет, радиоволны, рентгеновские лучи и даже гамма-лучи. Температура плазмы в молнии может достигать 28 000 кельвинов (27 726,85 ° C) (49 940,33 ° F), а плотность электронов может превышать 10 ²⁴ м ^-3 .

Фазовый переход или фазовое превращение происходит в термодинамической системе из одной фазы или состояния вещества в другое путем теплопередачи. Примерами фазового перехода являются таяние льда или кипение воды. Уравнение Мейсона объясняет рост капли воды на основе влияния переноса тепла на испарение и конденсацию.

Фазовые переходы включают четыре основных состояния материи :

Твердое - осаждение, замораживание и преобразование твердого тела в твердое.
Газ – кипение/испарение, рекомбинация / деионизация и сублимация .
Жидкость – конденсация и плавление/плавление .
Плазмо - ионизация .

кипячение

Язвенное кипение воды.

Температура кипения вещества – это температура, при которой давление паров жидкости равняется давлению, окружающему жидкость, и жидкость испаряется , что приводит к резкому изменению объема пара.

В закрытой системе температура насыщения и температура кипения означают одно и то же. Температура насыщения – это температура при соответствующем давлении насыщения, при котором жидкость переходит в паровую фазу. Можно сказать, что жидкость насыщена тепловой энергией. Любое добавление тепловой энергии приводит к фазовому переходу.

При нормальном атмосферном давлении и низких температурах кипения не происходит, а скорость теплообмена регулируется обычными однофазными механизмами. По мере повышения температуры поверхности происходит локальное кипение, и зарождаются пузырьки пара, которые прорастают в окружающую более холодную жидкость и схлопываются. Это пузырьковое кипение с переохлаждением и очень эффективный механизм теплопередачи. При высоких скоростях образования пузырьков пузырьки начинают мешать друг другу, и тепловой поток больше не увеличивается быстро с температурой поверхности (это отклонение от пузырькового кипения , или DNB).

При аналогичном стандартном атмосферном давлении и высоких температурах достигается гидродинамически более спокойный режим пленочного кипения . Тепловые потоки через стабильные слои пара малы, но медленно возрастают с температурой. Любой видимый контакт между жидкостью и поверхностью, вероятно, приводит к чрезвычайно быстрому зарождению свежего парового слоя («самопроизвольное зародышеобразование »). При еще более высоких температурах достигается максимум теплового потока ( критический тепловой поток , или КТР).

Эффект Лейденфроста демонстрирует, как пузырьковое кипение замедляет передачу тепла из-за пузырьков газа на поверхности нагревателя. Как уже упоминалось, теплопроводность газовой фазы намного ниже, чем теплопроводность жидкой фазы, поэтому в результате получается своего рода «газовый тепловой барьер».

Конденсация

Конденсация происходит, когда пар охлаждается и переходит в жидкое состояние. При конденсации должна выделяться скрытая теплота парообразования . Количество теплоты такое же, как и при испарении при том же давлении жидкости.

Конденсат бывает нескольких видов:

Гомогенная конденсация, как при образовании тумана.
Конденсация при прямом контакте с переохлажденной жидкостью.
Конденсация при прямом контакте с охлаждающей стенкой теплообменника: Это наиболее распространенный режим, используемый в промышленности:
- Пленочная конденсация - это когда на переохлажденной поверхности образуется пленка жидкости, и обычно она возникает, когда жидкость смачивает поверхность.
- Капельная конденсация – это когда капли жидкости образуются на переохлажденной поверхности и обычно происходит, когда жидкость не смачивает поверхность.
Капельную конденсацию трудно надежно поддерживать; поэтому промышленное оборудование обычно рассчитано на работу в режиме пленочной конденсации.

плавление

Таяние льда

Плавление – это термический процесс, в результате которого происходит фазовый переход вещества из твердого состояния в жидкое . Внутренняя энергия вещества увеличивается, как правило, при нагревании или давлении, что приводит к повышению его температуры до точки плавления , при которой упорядочение ионных или молекулярных объектов в твердом теле нарушается до менее упорядоченного состояния, и твердое тело сжижает. Расплавленные вещества обычно имеют пониженную вязкость при повышенной температуре; Исключением из этого правила является сера , вязкость которой увеличивается до точки из-за полимеризации , а затем уменьшается при более высоких температурах в расплавленном состоянии.

Подходы к моделированию

Теплопередачу можно моделировать различными способами.

Уравнение тепла

Уравнение теплопроводности — это важное дифференциальное уравнение в частных производных , описывающее распределение тепла (или изменение температуры) в данной области во времени. В некоторых случаях доступны точные решения уравнения; в других случаях уравнение должно быть решено численно с использованием вычислительных методов , таких как модели на основе ЦМР для термических/реагирующих систем частиц (как критически рассмотрено Пенгом и др.).

Анализ системы с сосредоточенными параметрами

Анализ системы с сосредоточенными параметрами часто сводит сложность уравнений к одному линейному дифференциальному уравнению первого порядка, и в этом случае нагрев и охлаждение описываются простым экспоненциальным решением, часто называемым законом охлаждения Ньютона .

Системный анализ с помощью модели сосредоточенной емкости является распространенным приближением в переходной проводимости, которое можно использовать всякий раз, когда теплопроводность внутри объекта намного быстрее, чем теплопроводность через границу объекта. Это метод аппроксимации, который сводит один аспект переходной системы проводимости — внутри объекта — к эквивалентной стационарной системе. То есть метод предполагает, что температура внутри объекта полностью однородна, хотя ее значение может меняться во времени.

В этом методе рассчитывается отношение кондуктивного теплового сопротивления внутри объекта к конвективному сопротивлению теплопередачи через границу объекта, известное как число Био . При малых числах Био можно использовать приближение пространственно-однородной температуры внутри объекта : можно предположить, что тепло, переданное в объект, успевает равномерно распределиться из-за меньшего сопротивления этому по сравнению с сопротивлением попадание тепла в объект.

Климатические модели

Климатические модели изучают лучистый теплообмен с использованием количественных методов для моделирования взаимодействия атмосферы, океанов, поверхности суши и льда.

Инжиниринг

Тепловое воздействие как часть огнестойких испытаний противопожарных изделий

Теплообмен имеет широкое применение в функционировании многочисленных устройств и систем. Принципы теплопередачи могут использоваться для сохранения, повышения или понижения температуры в самых разных обстоятельствах. Методы теплопередачи используются во многих областях, таких как автомобилестроение , терморегулирование электронных устройств и систем , климат-контроль , изоляция , обработка материалов , химическое машиностроение и проектирование электростанций .

Изоляция, сияние и сопротивление

Теплоизоляторы — это материалы, специально разработанные для уменьшения потока тепла за счет ограничения теплопроводности, конвекции или того и другого. Термическое сопротивление - это тепловое свойство и измерение, с помощью которого объект или материал сопротивляется тепловому потоку (тепло в единицу времени или термическому сопротивлению) разнице температур.

Сияние или спектральное излучение являются мерой количества излучения, которое проходит или излучается. Радиационные барьеры представляют собой материалы, которые отражают излучение и, следовательно, уменьшают поток тепла от источников излучения. Хорошие изоляторы не обязательно являются хорошими барьерами для излучения, и наоборот. Металл, например, является отличным отражателем и плохим изолятором.

Эффективность лучистого барьера определяется его отражательной способностью , которая представляет собой долю отраженного излучения. Материал с высокой отражательной способностью (на данной длине волны) имеет низкую излучательную способность (на той же длине волны) и наоборот. На любой конкретной длине волны отражательная способность = 1 - излучательная способность. Идеальный лучистый барьер должен иметь отражательную способность 1 и, следовательно, отражать 100 процентов поступающего излучения. Термосы , или сосуды Дьюара, посеребрены , чтобы приблизиться к этому идеалу. В космическом вакууме спутники используют многослойную изоляцию , которая состоит из множества слоев алюминированного (блестящего) майлара , чтобы значительно уменьшить радиационную теплопередачу и контролировать температуру спутника.

Устройства

Схема потока энергии в тепловом двигателе.

Тепловая машина – это система, осуществляющая преобразование потока тепловой энергии (теплоты) в механическую энергию для выполнения механической работы .

Термопара представляет собой устройство для измерения температуры и широко используемый тип датчика температуры для измерения и контроля, а также может использоваться для преобразования тепла в электроэнергию.

Термоэлектрический охладитель представляет собой твердотельное электронное устройство, которое перекачивает (переносит) тепло от одной стороны устройства к другой при пропускании через него электрического тока. Он основан на эффекте Пельтье .

Термодиод или термовыпрямитель — это устройство, которое заставляет тепло течь преимущественно в одном направлении .

Теплообменники

Теплообменник используется для более эффективной передачи тепла или для рассеивания тепла . Теплообменники широко используются в холодильной технике , кондиционировании воздуха , отоплении помещений , производстве электроэнергии и химической обработке. Одним из распространенных примеров теплообменника является автомобильный радиатор, в котором горячая охлаждающая жидкость охлаждается потоком воздуха над поверхностью радиатора.

Общие типы потоков теплообменников включают параллельный поток, противоток и перекрестный поток. В параллельном потоке обе жидкости движутся в одном направлении, передавая тепло; при противотоке жидкости движутся в противоположных направлениях; а в поперечном потоке жидкости движутся под прямым углом друг к другу. Обычные типы теплообменников включают кожухотрубные , двухтрубные , экструдированные ребристые трубы, спиральные ребристые трубы, U-образные трубы и многослойные пластины. Каждый тип имеет определенные преимущества и недостатки по сравнению с другими типами.

Радиатор — это компонент, передающий тепло, выделяемое твердым материалом, в текучую среду, такую как воздух или жидкость . Примерами радиаторов являются теплообменники, используемые в системах охлаждения и кондиционирования воздуха, или радиатор в автомобиле. Тепловая трубка — это еще одно устройство для передачи тепла, которое сочетает в себе теплопроводность и фазовый переход для эффективной передачи тепла между двумя твердыми поверхностями.

Приложения

Архитектура

Эффективное использование энергии – это цель сокращения количества энергии, необходимой для нагрева или охлаждения. В архитектуре конденсация и потоки воздуха могут вызвать косметические или структурные повреждения. Энергетический аудит может помочь оценить выполнение рекомендуемых корректирующих процедур. Например, улучшение изоляции, герметизация структурных утечек или установка энергоэффективных окон и дверей.

Умный счетчик — это устройство, которое фиксирует потребление электроэнергии через определенные промежутки времени.
Коэффициент теплопередачи — это скорость передачи тепла через структуру, деленная на разницу температур в структуре. Она выражается в ваттах на квадратный метр на кельвин или Вт/(м ² К). Хорошо изолированные части здания имеют низкий коэффициент теплопередачи, тогда как плохо изолированные части здания имеют высокий коэффициент теплопередачи.
Термостат – это устройство для контроля и регулирования температуры.

Климатическая инженерия

Пример применения в климатической инженерии включает создание Biochar в процессе пиролиза . Таким образом, хранение парниковых газов в углероде снижает способность радиационного воздействия в атмосфере, вызывая более длинноволновое ( инфракрасное ) излучение в космос.

Климатическая инженерия состоит из удаления углекислого газа и управления солнечным излучением . Поскольку количество углекислого газа определяет радиационный баланс атмосферы Земли, для уменьшения радиационного воздействия можно применять методы удаления углекислого газа . Управление солнечным излучением – это попытка поглощать меньше солнечной радиации, чтобы компенсировать воздействие парниковых газов .

Альтернативным методом является пассивное радиационное охлаждение в дневное время , которое усиливает поток земного тепла в космическое пространство через инфракрасное окно (8–13 мкм). Вместо того, чтобы просто блокировать солнечное излучение, этот метод увеличивает теплопередачу исходящего длинноволнового инфракрасного (LWIR) теплового излучения с чрезвычайно низкой температурой космического пространства (~ 2,7 K ) для снижения температуры окружающей среды при нулевом потреблении энергии.

Парниковый эффект

Представление обмена энергией между источником (Солнцем ) , поверхностью Земли, атмосферой Земли и конечным стоком космического пространства . Способность атмосферы улавливать и перерабатывать энергию, излучаемую земной поверхностью, является определяющей характеристикой парникового эффекта.

Парниковый эффект — это процесс, при котором тепловое излучение поверхности планеты поглощается атмосферными парниковыми газами и повторно излучается во всех направлениях. Поскольку часть этого повторного излучения возвращается к поверхности и в нижние слои атмосферы, это приводит к повышению средней температуры поверхности выше той, которая была бы в отсутствие газов.

Теплопередача в организме человека

Принципы теплообмена в технических системах можно применить к телу человека, чтобы определить, как тело передает тепло. Тепло вырабатывается в организме в результате непрерывного метаболизма питательных веществ, которое обеспечивает энергию для систем организма. Человеческое тело должно поддерживать постоянную внутреннюю температуру, чтобы поддерживать здоровые функции организма. Следовательно, лишнее тепло должно отводиться от тела, чтобы оно не перегревалось. Когда человек занимается повышенным уровнем физической активности, организму требуется дополнительное топливо, которое увеличивает скорость метаболизма и скорость производства тепла. Затем тело должно использовать дополнительные методы для удаления дополнительного тепла, чтобы поддерживать внутреннюю температуру на здоровом уровне.

Теплопередача конвекцией обусловлена движением жидкостей по поверхности тела. Эта конвективная жидкость может быть как жидкостью, так и газом. Для передачи тепла от внешней поверхности тела механизм конвекции зависит от площади поверхности тела, скорости воздуха и температурного градиента между поверхностью кожи и окружающим воздухом. Нормальная температура тела составляет примерно 37 °C. Теплопередача происходит легче, когда температура окружающей среды значительно ниже нормальной температуры тела. Эта концепция объясняет, почему человек чувствует холод, когда на нем недостаточно одежды, когда он подвергается воздействию холода. Одежду можно рассматривать как изолятор, обеспечивающий термическое сопротивление тепловому потоку через закрытую часть тела. Это тепловое сопротивление приводит к тому, что температура на поверхности одежды ниже, чем температура на поверхности кожи. Этот меньший температурный градиент между температурой поверхности и температурой окружающей среды вызовет более низкую скорость теплопередачи, чем если бы кожа не была покрыта.

Чтобы гарантировать, что одна часть тела не будет значительно горячее другой части, тепло должно равномерно распределяться по тканям тела. Кровь, текущая по кровеносным сосудам, действует как конвективная жидкость и помогает предотвратить накопление избыточного тепла внутри тканей тела. Этот поток крови по сосудам можно смоделировать как поток по трубе в инженерной системе. Тепло, переносимое кровью, определяется температурой окружающей ткани, диаметром кровеносного сосуда, толщиной жидкости , скоростью потока и коэффициентом теплопередачи крови. Скорость, диаметр кровеносных сосудов и толщина жидкости могут быть связаны с числом Рейнольдса , безразмерным числом, используемым в механике жидкости для характеристики потока жидкости.

Скрытая потеря тепла, также известная как потеря тепла при испарении, составляет большую часть потери тепла телом. Когда внутренняя температура тела повышается, тело активирует потовые железы в коже, чтобы доставить дополнительную влагу на поверхность кожи. Затем жидкость превращается в пар, который отводит тепло от поверхности тела. Скорость потери тепла при испарении напрямую связана с давлением паров на поверхности кожи и количеством влаги, присутствующей на коже. Поэтому максимум теплоотдачи будет происходить при полном намокании кожи. Тело постоянно теряет воду в результате испарения, но самые значительные потери тепла происходят в периоды повышенной физической активности.

Методы охлаждения

Охлаждение испарением

Традиционный воздухоохладитель в Мирзапуре , штат Уттар-Прадеш , Индия.

Испарительное охлаждение происходит, когда водяной пар добавляется к окружающему воздуху. Энергия, необходимая для испарения воды, берется из воздуха в виде явного тепла и преобразуется в скрытое тепло, в то время как энтальпия воздуха остается постоянной . Скрытая теплота описывает количество тепла, необходимое для испарения жидкости; это тепло исходит от самой жидкости и окружающего газа и поверхностей. Чем больше разница между двумя температурами, тем больше эффект испарительного охлаждения. При одинаковых температурах чистого испарения воды в воздухе не происходит; таким образом, отсутствует охлаждающий эффект.

Лазерное охлаждение

В квантовой физике лазерное охлаждение используется для достижения температур атомных и молекулярных образцов, близких к абсолютному нулю (-273,15 ° C, -459,67 ° F), для наблюдения уникальных квантовых эффектов , которые могут возникать только при этом уровне нагрева.

Доплеровское охлаждение является наиболее распространенным методом лазерного охлаждения.
Симпатическое охлаждение — это процесс, при котором частицы одного типа охлаждают частицы другого типа. Как правило, атомарные ионы, которые можно непосредственно охлаждать лазером, используются для охлаждения близлежащих ионов или атомов. Этот метод позволяет охлаждать ионы и атомы, которые нельзя охлаждать напрямую лазером.

Магнитное охлаждение

Магнитно-испарительное охлаждение — это процесс понижения температуры группы атомов после предварительного охлаждения такими методами, как лазерное охлаждение. Магнитное охлаждение охлаждает ниже 0,3 К, используя магнитокалорический эффект .

Радиационное охлаждение

Радиационное охлаждение — это процесс, при котором тело теряет тепло за счет излучения. Исходящая энергия является важным эффектом в энергетическом балансе Земли . В случае системы Земля-атмосфера это относится к процессу испускания длинноволнового (инфракрасного) излучения для компенсации поглощения коротковолновой (видимой) энергии Солнца. Термосфера (верхняя часть атмосферы) охлаждается в космос в основном за счет инфракрасной энергии, излучаемой двуокисью углерода (CO ₂ ) с длиной волны 15 мкм и оксидом азота (NO) с длиной волны 5,3 мкм. Конвективный перенос тепла и испарительный перенос скрытого тепла отводят тепло от поверхности и перераспределяют его в атмосфере.

Аккумулирование тепловой энергии

Хранение тепловой энергии включает в себя технологии сбора и хранения энергии для последующего использования. Его можно использовать для балансировки потребности в энергии между дневным и ночным временем. Тепловой резервуар может поддерживаться при температуре выше или ниже температуры окружающей среды. Области применения включают отопление помещений, бытовые или технологические системы горячего водоснабжения или выработку электроэнергии.

Смотрите также

Внешние ссылки

Учебник по теплопередаче - (скачать бесплатно).
Thermal-FluidsPedia — онлайн-энциклопедия по теплоносителям.
Гиперфизическая статья о теплопередаче — обзор
Межсезонная теплопередача — практический пример использования теплопередачи для обогрева зданий без сжигания ископаемого топлива.
Аспекты теплопередачи, Кембриджский университет
Центр термальных жидкостей
Energy2D: интерактивное моделирование теплообмена для всех

Languages

In other projects