Введение. Теория теплообмена - это наука о процессах переноса теплоты в пространстве

Теория теплообмена - это наука о процессах переноса теплоты в пространстве. Явления теплообмена наблюдаются в телах или системах тел с неодинаковой температурой. Любой процесс переноса теплоты в пространстве называют теплообменом. Теплообмен осуществляется тре­мя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность (или кондукция) представляет собой перенос теплоты структурными частицами вещества – молекулами, атомами, свободными электронами, т.е. обусловлена движением микро­частиц тела. Теплопроводность может иметь место в любых телах с неоднородным распределением температуры, но механизм переноса те­плоты зависит от агрегатного состояния тела. В газах перенос энергии теплопроводностью осуществляется путем диффузии молекул и ато­мов, в жидкостях и твердых телах - диэлектриках - путем других волн, в металлах перенос энергии осуществляется путем диффузии свободных электронов. Следует отметить, что в жидкостях и газах чис­тая теплопроводность может быть реализована при выполнении условий, исключающих перенос теплоты конвекцией. Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.

Конвекция возможна только в текучей среде. Под кон­векцией теплоты понимают процесс ее переноса при пере­мещении микрочастиц жидкости или газа, в пространстве, из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом пере­нос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение (или радиационный теплообмен) - это процесс распространения теплоты с помощью электромаг­нитных волн. Теплообмен излучением состоит из испускания энергии излучения телом, распространения ее в пространстве между телами и поглощения ее другими телами. В процессе испускания внутренняя энергия излучающего тела превращается в энергию электромагнитных волн. Тела, расположенные на пути распространения энергии излу­чения, поглощают часть падающих на них электромагнитных волн, и таким образом энергия излучения превращается во внутреннюю энергию поглощающего тела.

В природе и технике элементарные процессы распространения теп­лоты - теплопроводность, конвекция и тепловое излучение - очень часто происходят совместно.

Конвекция теплоты в жидкостях и газах всегда сопровождается теплопроводностью в них.

Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью в жидкостях и газах называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен внутри потока жидкости или газа представляет косвенный интерес.

В инженерных расчетах чаще определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела.

Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и по­верхностью твердого тела называют конвективной теп­лоотдачей или просто теплоотдачей.

Процессы теплопроводности и конвективного теплообмена могут сопровождаться тепловым излучением. Совместный перенос теплоты излучением и теплопроводностью называют радиационно-кондуктивным теп­лообменом. Если перенос теплоты осуществляется дополнительно и конвекцией, то такой процесс называет радиационно-конвективным тепло­обменом. Иногда радиационно-кондуктивный и радиационно-конвективный перенос теплоты называют сложным теплообменом.

В технике и в быту часто происходят процессы теплообмена меж­ду жидкостями или газами, разделенными твердой стенкой.

Процесс передачи теплоты от горячей жидкости или газа к холодной жидкости или газу через разделяющую их стенку называется теплопередачей. При этом перенос теплоты от горяче­го теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю может иметь характер теплоотдачи или радиационно-конвективного теплообмена. Перенос теплоты через стенку осуществляется теплопроводностью.