Värmeöverföring

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 8 september 2022; verifiering kräver 1 redigering .

Värmeöverföring är den fysiska processen att överföra termisk energi från en varmare kropp till en mindre varm, antingen direkt (vid kontakt), eller genom en mellanhand (ledare) eller en separerande skiljevägg (kropp eller medium) från vilket material som helst. När de fysiska kropparna i ett system har olika temperaturer sker en överföring av termisk energi , eller värmeöverföring från en kropp till en annan tills termodynamisk jämvikt uppnås . Spontan värmeöverföring sker alltid från en varmare kropp till en mindre varm, vilket är en konsekvens av termodynamikens andra lag .

Typer av värmeöverföring

Totalt finns det tre enkla (elementära) värmeöverföringsmekanismer:

Det finns också olika typer av värmeöverföring, som är en kombination av elementära typer. De viktigaste är:

värmeöverföring (konvektiv värmeöverföring mellan vätske- eller gasflöden och ytan på en fast kropp),
värmeöverföring (värmeöverföring från ett varmt medium [flytande, gas eller fast] till ett kallt genom en vägg som skiljer dem åt),
värmeöverföring med konvektiv strålning (gemensam värmeöverföring genom strålning och konvektion),
termomagnetisk konvektion .

Interna värmekällor är ett koncept av teorin om värmeöverföring, som beskriver processen för produktion (sällan absorption) av termisk energi inuti materialkroppar utan någon tillförsel eller överföring av termisk energi utifrån. Interna värmekällor inkluderar:

värmealstring under drift av elektrisk ström ,
värmeavgivning i kärnreaktioner,
värmeavgivning vid kemiska reaktioner.

Advektion

Advektion sker genom att överföra materia och energi, inklusive värme, genom att flytta en varm eller kall volym från en plats till en annan genom den fysiska överföringen. [1] Exempel är att fylla en flaska med varmt vatten och flytta ett isberg genom havsströmmar. Ett praktiskt exempel är termisk hydraulik, som kan beskrivas med en enkel formel:

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

var

${\displaystyle \phi _{q))$ värmeflöde (W/m 2 ),
$\rho$ ämnestäthet (kg/m 3 ),
$c_p$ - värmekapacitet vid konstant tryck (J / kg K),
$\Delta T$ - temperaturskillnad (K),
$v$ hastighet (m/s).

Värmeledningsförmåga

I mikroskopisk skala uppstår värmeledning när heta, snabbrörliga eller vibrerande atomer och molekyler interagerar med närliggande atomer och molekyler och överför en del av deras kinetiska energi till dessa partiklar. Med andra ord överförs värme genom ledning när närliggande atomer rör sig i förhållande till varandra eller när elektroner rör sig från en atom till en annan. Värmeledning verkar vara det viktigaste sättet för värmeöverföring inom ett fast ämne eller mellan fasta föremål i termisk kontakt . Vätskor, särskilt gaser, har en lägre värmeledningsförmåga. Kontaktvärmeledningsförmåga är studiet av värmeledningsförmåga mellan fasta ämnen i kontakt. [2] Processen för värmeöverföring från en volym till en annan utan makroskopisk rörelse av partiklar kallas värmeledningsförmåga. Till exempel, när du lägger handen på ett kallt glas vatten överförs värme från varm hud till kallt glas, men om din hand är några centimeter från glaset kommer värmeledningsförmågan att vara försumbar, eftersom luft inte leda värme väl. Stationär värmeledningsförmåga är en idealiserad modell av värmeledningsförmåga som uppstår vid en konstant temperaturskillnad, det vill säga när den rumsliga fördelningen av temperaturer som uppstår efter en tid i ett värmeledande föremål inte förändras (se Fourierlagen ). [3] I det stabila tillståndet av värmeledning är mängden värme som kommer in i kroppen lika med mängden värme som lämnar, eftersom temperaturförändringen (ett mått på termisk energi) i detta läge är noll. Ett exempel på stationär värmeledning är värmeflödet genom väggarna i ett varmt hus en kall dag - en hög temperatur hålls inne i huset och temperaturen utanför förblir låg, så värmeöverföringen per tidsenhet förblir konstant, bestämd genom värmeisoleringen av matas hebra-väggen, och den rumsliga fördelningen av temperaturen i väggarna kommer att vara ungefär konstant i tiden.

Icke- stationär värmeledning beskrivs av värmeekvationen och uppstår när temperaturen inuti ett objekt ändras som en funktion av tiden. Analysen av icke-stationära system är mer komplicerad, och analytiska lösningar av värmeekvationen erhålls endast för idealiserade modellsystem. I praktiska tillämpningar används vanligtvis numeriska metoder, approximationsmetoder eller empiriska studier. [2]

Konvektion

Konvektiv värmeöverföring, eller helt enkelt konvektion , är processen att överföra värme från en volym till en annan på grund av rörelsen av vätskor och gaser, en process som i huvudsak är värmeöverföring genom massöverföring .

Rörelsen av en flytande massa förbättrar värmeöverföringen i många fysiska situationer, såsom värmeöverföring mellan en fast yta och en vätska. [fyra]

Konvektion dominerar vanligtvis värmeöverföringsprocessen i vätskor och gaser. Även om det ibland kallas den tredje metoden för värmeöverföring, används konvektion vanligtvis för att beskriva de kombinerade effekterna av värmeledning i en vätska ( diffusion ) och värmeöverföring genom bulkvätskeflöde. [5]

Processen för värmeöverföring med vätskeflöde är känd som advektion, men ren advektion är en term som vanligtvis bara förknippas med massöverföring i en vätska, såsom advektion av småsten i en flod. Vid värmeöverföring i en vätska åtföljs advektionstransport i en vätska alltid av värmeöverföring genom diffusion (även känd som termisk ledning), med konvektionsprocessen förstås summan av värmeöverföring genom advektion och diffusion/ledning.

Fri eller naturlig konvektion uppstår när en vätskas volymetriska rörelser (flöden och strömmar) orsakas av flytkrafter som är ett resultat av förändringar i vätskans temperaturberoende densitet. Forcerad konvektion uppstår när flöden i en vätska induceras av externa medel som fläktar, omrörare och pumpar. [6]

Termisk strålning

Termisk strålning överförs genom ett vakuum eller något transparent medium ( fast, flytande eller gasformig ). Sådan överföring av energi med hjälp av fotoner av elektromagnetiska vågor, föremål för samma lagar. [7]

Termisk strålning är den energi som sänds ut av materia i form av elektromagnetiska vågor på grund av närvaron av termisk energi i all materia vid en temperatur över absolut noll . Termisk strålning fortplantar sig utan materia i ett vakuum . [åtta]

Termisk strålning existerar på grund av slumpmässiga rörelser av atomer och molekyler i materia. Eftersom dessa atomer och molekyler är uppbyggda av laddade partiklar ( protoner och elektroner ), resulterar deras rörelse i emission av elektromagnetisk strålning , som transporterar bort energi från ytan.

Stefan -Boltzmann-ekvationen , som beskriver överföringshastigheten för strålningsenergi, för ett föremål i vakuum skrivs enligt följande:

\phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.

För överföring av strålning mellan två kroppar är ekvationen följande:

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

var

${\displaystyle \phi _{q))$ värmeflöde,
$\epsilon$ - emissivitet (lika med en för en helt svart kropp ),
$\sigma$ är Stefan-Boltzmanns konstant ,
$F$ siktkoefficient mellan två ytor a och b, [9] och
$T_{a}$ och är de absoluta temperaturerna (i kelvin eller grader Rankine) för de två objekten. ${\displaystyle T_{b))$

Strålning är vanligtvis bara viktig för mycket heta föremål, eller för föremål med stora temperaturskillnader, eller för kroppar i vakuum.

Strålning från solen eller solstrålning kan användas för att generera värme och energi. [10] Till skillnad från värmeledning och konvektiva former av värmeöverföring kan värmestrålning som kommer i en smal vinkel, det vill säga från en källa som är mycket mindre än avståndet till den, koncentreras på en liten plats med hjälp av reflekterande speglar som används för att koncentrera solenergi , eller en brinnande lins. [11] Till exempel används solljus som reflekteras från speglar i solkraftverket PS10, som kan värma vatten upp till 285 °C (545 °F) under dagen .

Den uppnåbara temperaturen vid målet begränsas av temperaturen hos den heta strålningskällan. ( Lag T 4 tillåter det omvända flödet av strålning att värma upp källan). Den heta solen (på sin yta har en temperatur på cirka 4000 K) tillåter att nå cirka 3000 K (eller 3000 °C) på en liten sond i fokus för en stor konkav koncentreringsspegel i Mont-Louis solugn i Frankrike. [12]

Värmeöverföringskoefficient

Värmeöverföringskoefficienten visar hur mycket värme som passerar per tidsenhet från en mer uppvärmd till en mindre uppvärmd kylvätska genom 1 m 2 av värmeväxlingsytan vid en temperaturskillnad mellan kylmedierna på 1 K. Det uttrycks vanligtvis i W / (m 2 ·K), referensböcker kan också ge mängden flöde på en timme. Inom konstruktion har det ömsesidiga värdet blivit utbrett - den "termiska motståndskoefficienten".

Grundläggande värmeöverföringsekvation

Den grundläggande värmeöverföringsekvationen: mängden värme som överförs från en mer uppvärmd kropp till en mindre uppvärmd är proportionell mot värmeöverföringsytan, medeltemperaturskillnaden och tiden:

Q'=K\cdot F\cdot \Delta t_{\text{cf))\cdot \tau ,

var

K är värmeöverföringskoefficienten längs värmeväxlingsytan, F är värmeväxlingsytan, Δ t cf - genomsnittlig logaritmisk temperaturskillnad (medeltemperaturskillnad mellan värmebärare), τ är tid.

Anteckningar

↑ Massöverföring . Thermal-fluidsPedia . Termiska vätskor Central. Hämtad 9 mars 2021. Arkiverad från originalet 12 april 2021. (obestämd)
↑ 1 2 Abbott, JM Introduktion till kemiteknik termodynamik / JM Abbott, HC Smith, MM Van Ness. — 7:a. - Boston, Montreal: McGraw-Hill, 2005. - ISBN 0-07-310445-0 .
↑ Värmeledning . Thermal-fluidsPedia . Termiska vätskor Central. Hämtad 9 mars 2021. Arkiverad från originalet 12 april 2021. (obestämd)
↑ Zengel, Yunus. Värmeöverföring: Ett praktiskt tillvägagångssätt . — 2:a. - Boston : McGraw-Hill, 2003. - ISBN 978-0-07-245893-0 . Arkiverad 26 maj 2021 på Wayback Machine
↑ Konvektiv värmeöverföring . Thermal-fluidsPedia . Termiska vätskor Central. Hämtad 9 mars 2021. Arkiverad från originalet 31 oktober 2018. (obestämd)
↑ Konvektion - Värmeöverföring . Ingenjörer Edge. Hämtad 20 april 2009. Arkiverad från originalet 18 november 2018. (obestämd)
↑ Transportprocesser och separationsprinciper. — Prentice Hall. — ISBN 0-13-101367-X .
↑ Strålning . Thermal-fluidsPedia . Termiska vätskor Central. Hämtad 9 mars 2021. Arkiverad från originalet 14 mars 2021. (obestämd)
↑ Termisk strålningsvärmeöverföring. — Taylor och Francis.
↑ Mojiri, A (2013). "Spektral stråldelning för effektiv omvandling av solenergi - En recension." Recensioner av förnybar och hållbar energi . 28 : 654-663. DOI : 10.1016/j.rser.2013.08.026 .
↑ Taylor, Robert A. (mars 2011). "Tillämpning av nanofluider i högflödessolfångare" . Journal of Renewable and Sustainable Energy . 3 (2): 023104. doi : 10.1063 /1.3571565 . Arkiverad från originalet 2021-04-19 . Hämtad 2021-03-09 . Utfasad parameter används |deadlink=( hjälp )
↑ Megan Crouse: This Gigantic Solar Furnace Can Melt Steel Arkiverad 25 juli 2019 på Wayback Machine manufacturing.net, 28 juli 2016, hämtad 14 april 2019.

Litteratur

Grigoriev B. A., Tsvetkov F. F. Värme- och massöverföring: Proc. bidrag - 2:a uppl. - M: MPEI, 2005.
Isachenko V.P. et al. Värmeöverföring: En lärobok för universitet. 3:e uppl., reviderad. och ytterligare - M .: Energi, 1975.
Galin N. M., Kirillov P. L. Värme- och massöverföring. — M.: Energoatomizdat, 1987.
Kartashov EM Analytiska metoder för värmeledningsförmåga hos fasta ämnen. - M .: Högre. skola, 1989.
Krupnov B. A., Sharafadinov N. S. Riktlinjer för design av värme-, ventilations- och luftkonditioneringssystem. 2008
Kotlyar Ya. M., Perfection VD, Strizhenov DS Metoder och problem med värme- och massöverföring. - M .: Mashinostroenie, 1987. - 320 sid.
Lykov AV, Mikhailov Yu. A. Teori om energi och substansöverföring. - Minsk, BSSR:s vetenskapsakademi, 1959. - 330 sid.