теплопроводность, конвективный теплообмен, теплообмен излучением.

Теплопроводность
– обмен энергией между структурными
частицами вещества, атомами, молекулами.
Процесс аналогичен диффузии, поэтому
ТП – диффузионный механизм передачи
тепла. Интенсивность теплообмена зависит
от свойств среды. Основная характеристика
– коэффициент теплопроводности. ТП
присутствует в любом агрегатном состоянии
вещества. В твердых телах это единственный
механизм передачи тепла (за исключением
инфракрасного излучения).

Конвективный
теплообмен – перенос тепла вместе с
макрообъемами подвижной среды. КО всегда
сопровождается теплопроводностью, и
имеет место в жидкостях и газах. Движение
среды возможно только при наличии
разности давлений. Если эта разность
создается искусственно, конвекция
называется вынужденной. В противном
случае конвекция называется свободной.
В зависимости от причины, вызывающей
разность давлений, различают
термогравитационную (из-за разности
температур) и концентрационную (из-за
разности плотностей) конвекцию.
Интенсивность КО зависит от разности
температур, ТФХ среды, геометрии системы,
скорости движения среды и пр. Потоки
тепла при конвекции существенно выше,
чем при ТП.

Теплообмен
излучением – передача энергии с помощью
электромагнитных волн. Излучают все
тела, температура которых больше 0 К.
Интенсивность зависит от температуры
тела, характеристик поверхности, длины
волны излучения. Наибольшая часть
энергии передается в диапазоне длин
волн

.
При низких температурах интенсивность
излучения невысока. В этом диапазоне
больше энергии передается конвекцией.
При более высоких температурах
интенсивность излучения быстро
возрастает. При

конвекция не учитывается.

Тепловой
поток – количество тепла

,
передаваемое поверхностью тела в
окружающую среду за единицу времени.

Плотность
теплового потока – тепловой поток,
передаваемый с единицы поверхности
тела.

Вектор

направлен по нормали к

в сторону уменьшения температуры.
Тепловой поток характеризует тепловые
потери тела.

Температурное
поле – совокупность значений температуры
во всех точках исследуемой области в
любой момент времени. Температурное
поле характеризует функция

.
Стационарное ТП – температура не зависит
от времени; однородное ТП – температура
не зависит от координат. В зависимости
от количества рассматриваемых координат
(
)
различают трехмерное, двумерное и
одномерное поле температур.

Изотермическая
поверхность – метод графического
представления поля температур. Это
совокупность точек внутри исследуемой
области, температуры которых одинаковы.
В сечении области ИП изображаются в
виде линий, которые не пересекаются,
оканчиваются на границах тела или
замкнуты.

Градиент
температуры – вектор в направлении
наиболее интенсивного повышения
температуры в данной точке области. В
каждой точке неоднородного ТП вектор
градиента имеет свое направление и
величину.

характеризует
интенсивность изменения температуры
в данной точке области и численно равен
разности температур на двух ИП, расстояние
между которыми 1 метр.

Механизмы теплопередачи и их применение

Теплообменное оборудование и отопительные приборы выполняют свои функции прежде всего благодаря физическому процессу – теплопередаче (иначе — теплообмену): тело с более высокой температурой передает тепло телу с температурой ниже, пока не наступит относительное термодинамическое равновесие. При этом среды разделены либо твердой стенкой, либо другой поверхностью. Относительное термодинамическое равновесие предполагает, что в итоге величины вроде температуры будут примерно равняться друг другу.

Деятельность различных типов теплообменников и отопительных приборов основывается на разных физических процессах – в зависимости от механизмов теплопередачи:

• На теплопроводности
• На конвекции
• На тепловом излучении.

Теплопроводность и теплообменное оборудование

Процесс теплопроводности характеризуется способностью тел переносить энергию с помощью движущихся частиц. К таким частицам относятся молекулы, атомы, электроны и другие. Теплопроводность выше в твердых телах и меньше – в газообразных, это известно еще из школьного курса: молекулы в газах находятся дальше друг от друга, поэтому заявленный вид теплопередачи происходит медленнее. Интенсивность теплообмена связана с коэффициентом теплопередачи.

Кожухотрубные, спиральные, пластинчато-ребристые, секционные и другие теплообменники осуществляют обогрев за счёт теплопроводности.В рекуперативных теплообменниках теплоносители разделяются стенкой, в регенеративных происходит поочередное взаимодействие горячего и холодного теплоносителя с определенной поверхностью.

Конвекция и отопительные приборы

При таком виде теплопередачи, как конвекция, внутренняя энергия передается потоком или струйно.

Конвекция бывает двух видов:

• вынужденная — при содействии внешних сил; инструментами могут выступать вентилятор, насос, смешивающий прибор.
• естественная — при нагреве происходит перемещение слоев воздуха.

Действие конвектора как отопительного прибора основано на этом механизме теплопередачи. Благодаря естественной термогравитационной конвекции нагретый воздух поднимается выше, а на его место приходит менее теплый, который находился наверху — так постепенно нагревается помещение.

Естественная конвекция ответственна за многие природные явления — в том числе за образование облаков. Искусственная конвекция влияет на работу сухих градирен — драйкулеров, которые осуществляют свою работу с помощью вентиляторов.

Тепловое излучение

Веществу свойственно излучать электромагнитные волны. Тепловое излучение как механизм теплопередачи основывается как раз на электромагнитном излучении, появляющимся из-за внутренней энергии, которым обладает тело. Чем выше температура вещества, тем выше излучение. Другие тела могут улавливать излучение или же отбрасывать его. Известно, что темные предметы легче поглощает излучение. Светлым предметам свойственно отражать излучение. Так, к примеру, тепловым излучением обладает металл в нагретом состоянии.

Многие искусственные источники освещения работают за счёт теплового излучения — в том числе лампы накаливания. В обогреве помещений также применяется механизм излучения — широко применяются инфракрасные обогреватели, излучателями служат галогенные, кварцевые, а также карбоновые лампы. Особенностью ИК-обогревателя является последовательность нагрева: при его действии сначала нагреваются предметы (например, мебель) и только потом от предметов нагревается воздух.

При обогреве помещения обычно ориентируются на конвекцию и теплопроводность, потому что использования теплового излучения дорого обходится. Чтобы оценить эффективность обогрева помещения, учитывайте распределение температуры воздуха относительно высоты самого помещения — итогом должно стать более-менее равномерное распределение, чтобы теплый воздух не концентрировался у потолка, а пол не был холодным. Необходимо обратить внимание не только на процесс теплообмена оборудования, но и на теплопотери.

теория тепла, полезно знать

05.09.2017, 5923 просмотра.

Механизмы теплопередачи — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Рисунок 1. На фотографии выше показан аэрогель, очень хороший теплоизолятор, между паяльной лампой и спичками. Аэрогель блокирует все тепло от паяльной лампы и предотвращает возгорание спичек. ^[1]

Механизмы теплопередачи — это способы, с помощью которых тепловая энергия может передаваться между объектами, и все они основаны на основном принципе, согласно которому кинетическая энергия или тепло должны находиться в равновесии или в равных энергетических состояниях . Существует три различных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и лучистое тепло (часто называемое излучением, но это более общий термин, включающий множество других явлений). ^[2] Существует родственное явление, связанное с передачей скрытого тепла, называемое эвапотранспирацией.

Теплопроводность

Основная статья

Теплопроводность — это простейшая модель теплопередачи с точки зрения возможности математического объяснения происходящего. Это движение кинетической энергии в материалах из областей с более высокой температурой в области с более низкой температурой через вещество. ^[3] Молекулы будут просто отдавать свою энергию соседним молекулам, пока не будет достигнуто равновесие. Модели проводимости не имеют дело с движением частиц внутри материала.

Конвекция

Рис. 2. Воздух над сушей нагревается быстрее, чем воздух над водой, что приводит к конвекции, которая ощущается как прохладный океанский бриз. ^[4]

основной артикул

Конвекция — это передача тепла посредством движения жидкости (например, воздуха или воды). Разница между проводимостью и конвекцией заключается в движении материального носителя; конвекция — это движение тепловой энергии за счет движения горячей жидкости (в отличие от нагревания другого материала за счет шевеления атомов). Обычно это движение происходит в результате различий в плотности. Более теплые частицы менее плотны, поэтому частицы с более высокой температурой будут перемещаться в области с более низкой температурой, а частицы с более низкой температурой — в области с более высокой температурой. Жидкость будет оставаться в движении, пока не будет достигнуто равновесие.

Излучение

Рисунок 1: Костры излучают лучистую «энергию» и ощущаются как «лучистое тепло». ^[5]

основной артикул

Тепло, передаваемое излучением, называется лучистым теплом. Подобно свету, лучистое тепло является лучистой энергией, и для его переноса не обязательно требуется среда. Этой форме передачи энергии способствует электромагнитное излучение. ^[6] Все движущиеся заряженные частицы излучают электромагнитное излучение. Эта излучаемая волна будет двигаться, пока не столкнется с другой частицей. Частица, получившая это излучение, получит его в виде кинетической энергии. Частицы будут получать и излучать излучение даже после того, как все будет иметь одинаковую температуру, но этого не замечают из-за того, что в этот момент материал находится в равновесии.

Этот тип теплопередачи особенно важен при установлении температуры Земли. Излучение, как передача тепла, — это то, как Земля получает энергию от солнца. Радиация также важна для парникового эффекта.

Эвапотранспирация

Рисунок 1. Круговорот воды зависит от эвапотранспирации. ^[7]

основная статья

Эвапотранспирация — это энергия, переносимая фазовыми переходами, такими как испарение или сублимация. ^[8] Вода требует достаточного количества энергии для изменения фазы, поэтому этот процесс подтверждает, что водяной пар имеет связанное с ним достаточное количество энергии. Этот тип механизма передачи энергии часто не указывается среди различных типов механизмов передачи, так как его сложнее понять.

Для дальнейшего чтения

• Эвапотранспирация
• Радиация
• Теплопроводность
• Конвекция
• Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

1. ↑ Wikimedia Commons. (30 июля 2015 г.). Аэрогель [Онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b4/Aerogel_matches.jpg
2. ↑ Гиперфизика, Теплопередача [Онлайн], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html
3. ↑ Гиперфизика, Теплопроводность [Онлайн], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html#c2
4. ↑ «Свойства выбора чтения материи: плотность создает течения». [Онлайн]. Доступно: http://www.propertiesofmatter.si.edu/Density_Creates.html
5. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fire_from_brazier.jpg
6. ↑ Р. Чабай и Б. Шервуд, «Энергия и импульс в излучении», в Matter & Interactions, 3rd ed., Hoboken, NJ: Wiley, 2011, ch.24, sec.5, pp. 1002-1003
7. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: http://en.wikipedia.org/wiki/Evapotranspiration#/media/File:Surface_water_cycle.svg
8. ↑ Геологическая служба США, Эвапотранспирация — круговорот воды [онлайн], доступно: http://water. usgs.gov/edu/watercycleevapotranspiration.html

4 Типы механизмов теплопередачи для охлаждения электрических шкафов

Охлаждение электрического шкафа включает в себя процессы передачи тепла изнутри корпуса и отвода его в окружающий воздух. Существуют различные механизмы теплопередачи, включая конвекцию, теплопроводность, тепловое излучение и испарительное охлаждение.

Механизмы теплопередачи

Охлаждение корпуса включает комбинацию механизмов теплопередачи. Основные механизмы, используемые для охлаждения электрических шкафов, следующие:

• Теплопроводность: Это передача тепла через твердое тело. Например, тепло, выделяемое внутри корпуса, передается на внешнюю поверхность посредством теплопроводности.
• Конвекция: Конвекция – это передача тепла от поверхности посредством жидкости, такой как воздух. Естественная конвекция возникает при нагревании воздуха: он расширяется, поднимается вверх и вытесняется более холодным воздухом. Величину конвекции можно увеличить, используя вентилятор для увеличения потока воздуха.
• Излучение: Это процесс, при котором энергия излучается через воздух посредством электромагнитного излучения. Хотя он эффективен для высокотемпературных источников, таких как солнце, он менее эффективен при температуре окружающей среды на Земле.
• Испарение: Скрытая теплота жидкости может использоваться для передачи тепла путем поглощения энергии, необходимой для испарения этой жидкости. Поглощенное тепло высвобождается, позволяя жидкости конденсироваться вне корпуса.

Эти формы теплопередачи используются для охлаждения электрических корпусов несколькими способами. Вот несколько примеров:

Пассивное охлаждение

Пассивное охлаждение, основанное на естественной теплопроводности, конвекции и излучении, подходит для малонагруженных шкафов с относительно большой площадью поверхности и хорошей вентиляцией. Температура окружающего воздуха должна быть ниже температуры корпуса. Этот метод не подходит для чувствительных к температуре компонентов при высоких температурах окружающей среды.

Принудительная вентиляция

Эффективность конвекции можно повысить за счет использования вентиляторов, увеличивающих поток воздуха через корпус. Холодный воздух втягивается в нижнюю часть корпуса, а горячий воздух выпускается вверху. Вентиляторы должны быть оснащены фильтрами для ограничения попадания грязи, которая может повредить компоненты. Чтобы электрические компоненты не перегревались, температура окружающей среды должна быть значительно ниже максимально допустимой температуры корпуса.

Технология тепловых трубок

Тепловые трубки, впервые разработанные в 1960-х годах, представляют собой практически безэнергетический метод охлаждения корпуса. Тепловая трубка состоит из вакуумированной медной трубки, частично заполненной жидкостью, такой как спирт или вода. Из-за низкого давления жидкость на дне трубы закипает, поглощая тепло из воздуха внутри корпуса. Пар поднимается вверх по трубе, где охлаждается воздухом снаружи корпуса и конденсируется. Затем сконденсированная жидкость возвращается на дно трубки, и цикл повторяется.

В воздухо-воздушных теплообменниках Thermal Edge используется эта новая технология для охлаждения герметичных электрических корпусов. Единственная необходимая энергия — это маленькие вентиляторы, которые циркулируют воздух вокруг горячего и холодного концов тепловой трубы.

Кондиционирование воздуха в корпусе

Кондиционирование воздуха также использует испарение, но немного другим способом. Жидкий хладагент под давлением проходит через расширительное устройство. Падение давления заставляет жидкость испаряться в змеевике испарителя кондиционера и поглощать тепло, охлаждая воздух внутри корпуса. Затем горячий газ сжимается и проходит через змеевик конденсатора, где газ сжижается, отдавая свое тепло воздуху снаружи корпуса. Кондиционер воздуха в корпусе представляет собой чрезвычайно эффективный метод охлаждения корпуса и будет эффективно работать, даже если температура окружающей среды намного выше, чем температура воздуха в корпусе.