Lämmönsiirto

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 8.9.2022 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Lämmönsiirto on fyysinen prosessi, jossa lämpöenergiaa siirretään kuumemmasta kappaleesta vähemmän kuumaan joko suoraan (kosketuksessa) tai välittäjän (johtimen) tai erottavan väliseinän (runko tai väliaine) kautta mistä tahansa materiaalista. Kun yhden järjestelmän fyysiset kappaleet ovat eri lämpötiloissa , tapahtuu lämpöenergian siirtymistä eli lämmön siirtymistä kappaleesta toiseen, kunnes termodynaaminen tasapaino saavutetaan . Spontaani lämmönsiirto tapahtuu aina kuumemmasta kappaleesta vähemmän kuumaan, mikä on seurausta termodynamiikan toisesta pääsäännöstä .

Lämmönsiirron tyypit

Kaiken kaikkiaan on olemassa kolme yksinkertaista (alkeista) lämmönsiirtomekanismia:

On myös erilaisia lämmönsiirtotyyppejä, jotka ovat yhdistelmä perustyyppejä. Tärkeimmät ovat:

lämmönsiirto (konvektiivinen lämmönsiirto neste- tai kaasuvirtojen ja kiinteän kappaleen pinnan välillä),
lämmönsiirto (lämmönsiirto kuumasta väliaineesta [neste, kaasu tai kiinteä] kylmään niitä erottavan seinän kautta),
konvektio-säteilylämmönsiirto (yhteinen lämmönsiirto säteilyn ja konvektion avulla),
termomagneettinen konvektio .

Sisäiset lämmönlähteet on lämmönsiirron teorian käsite, joka kuvaa lämpöenergian tuotantoprosessia (harvoin imeytymistä) materiaalikappaleiden sisällä ilman lämpöenergian syöttöä tai siirtoa ulkopuolelta. Sisäisiä lämmönlähteitä ovat mm.

lämmöntuotanto sähkövirran käytön aikana ,
lämmön vapautuminen ydinreaktioissa,
lämmön vapautuminen kemiallisissa reaktioissa.

Advection

Advektio tapahtuu siirtämällä ainetta ja energiaa, mukaan lukien lämpöä, siirtämällä kuumaa tai kylmää tilavuutta paikasta toiseen fyysisen siirron kautta. [1] Esimerkkejä ovat pullon täyttäminen kuumalla vedellä ja jäävuoren liikuttaminen merivirtojen läpi. Käytännön esimerkki on lämpöhydrauliikka, joka voidaan kuvata yksinkertaisella kaavalla:

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

missä

${\displaystyle \phi _{q))$ lämpövirta (W/m2 ) ,
$\rho$ aineen tiheys (kg/m3 ) ,
$c_p$ - lämpökapasiteetti vakiopaineessa (J / kg K),
$\Delta T$ - lämpötilaero (K),
$v$ nopeus (m/s).

Lämmönjohtavuus

Mikroskooppisessa mittakaavassa lämmönjohtavuus tapahtuu, kun kuumat, nopeasti liikkuvat tai värähtelevät atomit ja molekyylit ovat vuorovaikutuksessa viereisten atomien ja molekyylien kanssa siirtäen osan kineettisestä energiastaan näihin hiukkasiin. Toisin sanoen lämpö siirtyy johtumisen kautta, kun viereiset atomit liikkuvat suhteessa toisiinsa tai kun elektronit siirtyvät atomista toiseen. Lämmönjohtavuus näyttää olevan tärkein lämmönsiirtokeino kiinteän aineen sisällä tai lämpökontaktissa olevien kiinteiden esineiden välillä . Nesteiden, erityisesti kaasujen, lämmönjohtavuus on pienempi. Kosketuslämmönjohtavuus on tutkimus kosketuksissa olevien kiinteiden aineiden välisestä lämmönjohtavuudesta. [2] Lämmönsiirtoprosessia tilavuudesta toiseen ilman hiukkasten makroskooppista liikettä kutsutaan lämmönjohtavuudeksi. Esimerkiksi kun laitat kätesi kylmän vesilasin päälle, lämpö siirtyy lämpimältä iholta kylmään lasiin, mutta jos kätesi on muutaman senttimetrin päässä lasista, lämmönjohtavuus on mitätön, koska ilma ei johtaa lämpöä hyvin. Kiinteä lämmönjohtavuus on idealisoitu malli lämmönjohtavuudesta, joka tapahtuu vakiossa lämpötilaerossa, eli kun lämpötilojen tilajakauma, joka esiintyy jonkin ajan kuluttua lämpöä johtavassa objektissa, ei muutu (katso Fourier-laki ). [3] Lämmönjohtavuuden vakaassa tilassa kehoon tulevan lämmön määrä on yhtä suuri kuin poistuvan lämmön määrä, koska tässä tilassa lämpötilan muutos (lämpöenergian mitta) on nolla. Esimerkki kiinteästä lämmönjohtamisesta on lämmön virtaus lämpimän talon seinien läpi kylmänä päivänä - talon sisällä pidetään korkeaa lämpötilaa ja ulkolämpötila pysyy alhaisena, joten lämmönsiirto aikayksikköä kohti pysyy vakiona, määrättynä. Matas hebra -seinän lämmöneristyksellä ja lämpötilan tilajakauma seinissä on suunnilleen ajallisesti vakio.

Ei- stationaarista lämmönjohtavuutta kuvaa lämpöyhtälö, ja se tapahtuu, kun kohteen sisällä oleva lämpötila muuttuu ajan funktiona. Ei-stationaaristen järjestelmien analyysi on monimutkaisempaa ja lämpöyhtälön analyyttiset ratkaisut saadaan vain idealisoiduille mallijärjestelmille. Käytännön sovelluksissa käytetään yleensä numeerisia menetelmiä, approksimaatiomenetelmiä tai empiirisiä tutkimuksia. [2]

Konvektio

Konvektiivinen lämmönsiirto tai yksinkertaisesti konvektio on prosessi, jossa lämpö siirtyy tilavuudesta toiseen nesteiden ja kaasujen liikkeen vuoksi, prosessi, joka on olennaisesti lämmönsiirtoa massasiirron kautta .

Nestemassan liike parantaa lämmönsiirtoa monissa fysikaalisissa tilanteissa, kuten lämmönsiirtoa kiinteän pinnan ja nesteen välillä. [neljä]

Konvektio hallitsee yleensä lämmönsiirtoprosessia nesteissä ja kaasuissa. Vaikka konvektiota joskus kutsutaan kolmanneksi lämmönsiirtomenetelmäksi, sitä käytetään yleisesti kuvaamaan nesteen sisällä tapahtuvan lämmönjohtavuuden ( diffuusio ) ja massavirtauksen aiheuttaman lämmönsiirron yhteisvaikutuksia. [5]

Lämmönsiirtoprosessi nestevirtauksen kanssa tunnetaan advektiona, mutta puhdas advektio on termi, joka liittyy yleensä vain aineen siirtoon nesteessä, kuten kivien advektioon joessa. Nesteessä tapahtuvan lämmönsiirron yhteydessä nesteessä tapahtuvaan advektiokuljetukseen liittyy aina lämmönsiirto diffuusion kautta (tunnetaan myös lämmönjohtavuutena), konvektioprosessi ymmärretään advektion ja diffuusion/johtumisen kautta tapahtuvan lämmönsiirron summana.

Vapaa tai luonnollinen konvektio tapahtuu, kun nesteen tilavuusliikkeet (virrat ja virrat) johtuvat kelluvuusvoimista, jotka johtuvat lämpötilasta riippuvan nesteen tiheyden muutoksista. Pakotettu konvektio tapahtuu, kun nesteen virtaukset indusoidaan ulkoisilla keinoilla, kuten puhaltimilla, sekoittimilla ja pumpuilla. [6]

Lämpösäteily

Lämpösäteily välittyy tyhjiön tai minkä tahansa läpinäkyvän väliaineen ( kiinteän, nestemäisen tai kaasumaisen ) kautta. Tällainen energiansiirto sähkömagneettisten aaltojen fotonien avulla, joihin sovelletaan samoja lakeja. [7]

Lämpösäteily on aineen sähkömagneettisten aaltojen muodossa lähettämää energiaa, joka johtuu lämpöenergian läsnäolosta kaikessa aineessa absoluuttisen nollan yläpuolella olevassa lämpötilassa . Lämpösäteily etenee tyhjiössä ilman ainetta . [kahdeksan]

Lämpösäteilyä syntyy atomien ja molekyylien satunnaisista liikkeistä aineessa. Koska nämä atomit ja molekyylit koostuvat varautuneista hiukkasista ( protoneista ja elektroneista ), niiden liike aiheuttaa sähkömagneettista säteilyä , joka kuljettaa energiaa pois pinnasta.

Stefan - Boltzmann-yhtälö , joka kuvaa säteilyenergian siirtymisnopeutta tyhjiössä olevalle esineelle, kirjoitetaan seuraavasti:

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

Säteilyn siirrolle kahden kappaleen välillä yhtälö on seuraava:

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

missä

${\displaystyle \phi _{q))$ lämpövirta,
$\epsilon$ - emissiivisyys (yksi täysin mustalle kappaleelle ),
$\sigma$ on Stefan-Boltzmannin vakio ,
$F$ kahden pinnan a ja b välinen näkyvyyskerroin, [9] ja
${\näyttötyyli T_{a}}$ ja ovat näiden kahden kohteen absoluuttiset lämpötilat ( kelvineinä tai Rankine-asteina). ${\näyttötyyli T_{b))$

Säteily on yleensä tärkeää vain erittäin kuumille esineille tai kohteille, joissa on suuria lämpötilaeroja tai tyhjiössä oleville kappaleille.

Auringon säteilyä tai auringon säteilyä voidaan käyttää lämmön ja energian tuottamiseen. [10] Toisin kuin lämmönjohtavuus ja konvektiiviset lämmönsiirron muodot, kapeassa kulmassa eli lähteestä, joka on paljon pienempi kuin etäisyys siihen, tuleva lämpösäteily voidaan keskittää pieneen kohtaan käyttämällä heijastavia peilejä, joita käytetään keskittää aurinkoenergiaa tai palavaa linssiä. [11] Esimerkiksi peileistä heijastuvaa auringonvaloa käytetään PS10-aurinkovoimalaitoksessa, joka voi lämmittää vettä jopa 285 °C (545 °F) päivän aikana .

Kohteessa saavutettavaa lämpötilaa rajoittaa kuuman säteilylähteen lämpötila. ( Laki T 4 sallii päinvastaisen säteilyvirran lämmittää lähteen). Kuuma aurinko (sen pinnan lämpötila on noin 4000 K) mahdollistaa noin 3000 K (tai 3000 °C) saavuttamisen pienellä mittapäällä suuren koveran keskityspeilin kohdalta Mont-Louis-aurinkouunissa Ranskassa. [12]

Lämmönsiirtokerroin

Lämmönsiirtokerroin osoittaa, kuinka paljon lämpöä kulkee aikayksikköä kohti kuumemmasta jäähdytysnesteestä vähemmän lämmitettyyn 1 m 2: n lämmönvaihtopinnan läpi, kun jäähdytysnesteiden välinen lämpötilaero on 1 K. Se ilmaistaan yleensä W / (m 2 ·K), hakuteokset voivat myös antaa virtausmäärän yhdessä tunnissa. Rakentamisessa vastavuoroinen arvo on yleistynyt - "lämpövastuskerroin".

Peruslämmönsiirtoyhtälö

Peruslämmönsiirtoyhtälö: kuumennetusta kappaleesta vähemmän lämmitettyyn kappaleeseen siirtyvän lämmön määrä on verrannollinen lämmönsiirtopintaan, keskilämpötilaeroon ja aikaan:

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

missä

K on lämmönsiirtokerroin pitkin lämmönvaihtopintaa, F on lämmönvaihtopinta, Δ t cf - keskimääräinen logaritminen lämpötilaero (keskimääräinen lämpötilaero lämmönsiirtoaineiden välillä), τ on aika.

Muistiinpanot

↑ Massasiirto . Thermal-FluidsPedia . Thermal Fluids Central. Haettu 9. maaliskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 12. huhtikuuta 2021. (määrätön)
↑ 1 2 Abbott, JM Johdatus kemiantekniikan termodynamiikkaan / JM Abbott, HC Smith, MM Van Ness. – 7. - Boston, Montreal: McGraw-Hill, 2005. - ISBN 0-07-310445-0 .
↑ Lämmönjohtavuus . Thermal-FluidsPedia . Thermal Fluids Central. Haettu 9. maaliskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 12. huhtikuuta 2021. (määrätön)
↑ Zengel, Yunus. Lämmönsiirto: Käytännöllinen lähestymistapa . – 2. - Boston: McGraw-Hill, 2003. - ISBN 978-0-07-245893-0 . Arkistoitu 26. toukokuuta 2021 Wayback Machinessa
↑ Konvektiivinen lämmönsiirto . Thermal-FluidsPedia . Thermal Fluids Central. Haettu 9. maaliskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 31. lokakuuta 2018. (määrätön)
↑ Konvektio - Lämmönsiirto . Engineers Edge. Haettu 20. huhtikuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 18. marraskuuta 2018. (määrätön)
↑ Kuljetusprosessit ja erotteluperiaatteet. - Prentice Hall. — ISBN 0-13-101367-X .
↑ Säteily . Thermal-FluidsPedia . Thermal Fluids Central. Haettu 9. maaliskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 14. maaliskuuta 2021. (määrätön)
↑ Lämpösäteilyn lämmönsiirto. - Taylor ja Francis.
↑ Mojiri, A (2013). "Spektrisäteen jakaminen aurinkoenergian tehokkaaseen muuntamiseen – arvostelu." Uusiutuvan ja kestävän energian arviot . 28 : 654-663. DOI : 10.1016/j.rser.2013.08.026 .
↑ Taylor, Robert A. (maaliskuu 2011). "Nanofluidien käyttökelpoisuus suurivirtaisissa aurinkokeräimissä" . Journal of Renewable and Sustainable Energy . 3 (2): 023104. doi : 10.1063 /1.3571565 . Arkistoitu alkuperäisestä 2021-04-19 . Haettu 2021-03-09 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje )
↑ Megan Crouse: Tämä jättimäinen aurinkouuni voi sulattaa terästä Arkistoitu 25. heinäkuuta 2019 osoitteessa Wayback Machine production.net , 28. heinäkuuta 2016, haettu 14. huhtikuuta 2019.

Kirjallisuus

Grigoriev B. A., Tsvetkov F. F. Lämmön ja massan siirto: Proc. lisä - 2. painos. - M: MPEI, 2005.
Isachenko V.P. et al. Lämmönsiirto: Oppikirja yliopistoille. 3. painos, tarkistettu. ja ylimääräisiä - M .: Energia, 1975.
Galin N. M., Kirillov P. L. Lämmön ja massan siirto. - M.: Energoatomizdat, 1987.
Kartashov EM Analyyttiset menetelmät kiinteiden aineiden lämmönjohtavuudessa. - M .: Korkeampi. koulu, 1989.
Krupnov B. A., Sharafadinov N. S. Ohjeet lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmien suunnitteluun. 2008
Kotlyar Ya. M., Perfection VD, Strizhenov DS Lämmön ja massan siirron menetelmät ja ongelmat. - M .: Mashinostroenie, 1987. - 320 s.
Lykov AV, Mikhailov Yu. A. Energian ja aineensiirron teoria. - Minsk, BSSR:n tiedeakatemia, 1959. - 330 s.