Varmeoverførsel

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 8. september 2022; verifikation kræver 1 redigering .

Varmeoverførsel er den fysiske proces med at overføre termisk energi fra et varmere legeme til et mindre varmt, enten direkte (ved kontakt) eller gennem et mellemled (leder) eller en adskillende skillevæg (legeme eller medium) fra ethvert materiale. Når de fysiske legemer i et system er ved forskellige temperaturer , er der en overførsel af termisk energi eller varmeoverførsel fra et legeme til et andet, indtil termodynamisk ligevægt er nået . Spontan varmeoverførsel sker altid fra et varmere legeme til et mindre varmt, hvilket er en konsekvens af termodynamikkens anden lov .

Typer af varmeoverførsel

I alt er der tre simple (elementære) varmeoverførselsmekanismer:

Der findes også forskellige typer varmeoverførsel, som er en kombination af elementære typer. De vigtigste er:

varmeoverførsel (konvektiv varmeoverførsel mellem væske- eller gasstrømme og overfladen af et fast legeme),
varmeoverførsel (varmeoverførsel fra et varmt medium [væske, gas eller fast] til et koldt gennem en væg, der adskiller dem),
konvektiv-strålingsvarmeoverførsel (fælles varmeoverførsel ved stråling og konvektion),
termomagnetisk konvektion .

Interne varmekilder er et koncept af teorien om varmeoverførsel, som beskriver processen med produktion (sjældent absorption) af termisk energi inde i materielle legemer uden nogen tilførsel eller overførsel af termisk energi udefra. Interne varmekilder omfatter:

varmeudvikling under drift af elektrisk strøm ,
varmeafgivelse i nukleare reaktioner,
varmeafgivelse ved kemiske reaktioner.

Advektion

Advektion opstår ved at overføre stof og energi, herunder varme, ved at flytte et varmt eller koldt volumen fra et sted til et andet gennem den fysiske overførsel. [1] Eksempler inkluderer at fylde en flaske med varmt vand og flytte et isbjerg gennem havstrømme. Et praktisk eksempel er termisk hydraulik, som kan beskrives med en simpel formel:

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

hvor

${\displaystyle \phi _{q))$ varmeflux (W/m 2 ),
$\rho$ stoftæthed (kg / m 3 ),
$c_p$ - varmekapacitet ved konstant tryk (J / kg K),
$\Delta T$ - temperaturforskel (K),
$v$ hastighed (m/s).

Termisk ledningsevne

På mikroskopisk skala opstår termisk ledning, når varme, hurtigt bevægende eller vibrerende atomer og molekyler interagerer med naboatomer og molekyler og overfører noget af deres kinetiske energi til disse partikler. Med andre ord overføres varme ved ledning, når naboatomer bevæger sig i forhold til hinanden, eller når elektroner bevæger sig fra et atom til et andet. Termisk ledning ser ud til at være det vigtigste middel til varmeoverførsel i et fast stof eller mellem faste genstande i termisk kontakt . Væsker, især gasser, har en lavere varmeledningsevne. Kontakt termisk ledningsevne er undersøgelsen af termisk ledningsevne mellem faste stoffer i kontakt. [2] Processen med varmeoverførsel fra et volumen til et andet uden makroskopisk bevægelse af partikler kaldes termisk ledningsevne. For eksempel, når du lægger din hånd på et koldt glas vand, overføres varme fra varm hud til koldt glas, men hvis din hånd er et par centimeter væk fra glasset, vil varmeledningsevnen være ubetydelig, da luft ikke lede varme godt. Stationær varmeledningsevne er en idealiseret model for varmeledningsevne, der opstår ved en konstant temperaturforskel, det vil sige, når den rumlige fordeling af temperaturer, der opstår efter nogen tid i et varmeledende objekt, ikke ændres (se Fourierloven ). [3] I den stabile tilstand af varmeledning er mængden af varme, der kommer ind i kroppen, lig med mængden af varme, der forlader, fordi i denne tilstand er ændringen i temperatur (et mål for termisk energi) nul. Et eksempel på stationær varmeledning er varmestrømmen gennem væggene i et varmt hus på en kold dag - en høj temperatur opretholdes inde i huset, og temperaturen udenfor forbliver lav, så varmeoverførslen pr. tidsenhed forbliver konstant, bestemt ved den termiske isolering af matas hebra-væggen, og den rumlige fordeling af temperaturen i væggene vil være nogenlunde konstant i tid.

Ikke- stationær varmeledning beskrives af varmeligningen og opstår, når temperaturen inde i et objekt ændres som en funktion af tiden. Analysen af ikke-stationære systemer er mere kompliceret, og analytiske løsninger af varmeligningen opnås kun for idealiserede modelsystemer. I praktiske anvendelser anvendes sædvanligvis numeriske metoder, tilnærmelsesmetoder eller empiriske undersøgelser. [2]

Konvektion

Konvektiv varmeoverførsel, eller blot konvektion , er processen med at overføre varme fra et volumen til et andet på grund af bevægelsen af væsker og gasser, en proces, der i det væsentlige er varmeoverførsel gennem masseoverførsel .

Bevægelsen af en flydende masse forbedrer varmeoverførslen i mange fysiske situationer, såsom varmeoverførsel mellem en fast overflade og en fluid. [fire]

Konvektion dominerer normalt varmeoverførselsprocessen i væsker og gasser. Selvom det nogle gange omtales som den tredje metode til varmeoverførsel, bruges konvektion almindeligvis til at beskrive de kombinerede virkninger af varmeledning i en væske ( diffusion ) og varmeoverførsel ved bulkfluidstrøm. [5]

Processen med varmeoverførsel med væskestrøm er kendt som advektion, men ren advektion er et udtryk, der normalt kun forbindes med masseoverførsel i en væske, såsom advektion af småsten i en flod. Ved varmeoverførsel i en væske er advektionstransport i en væske altid ledsaget af varmeoverførsel ved diffusion (også kendt som termisk ledning), ved konvektionsprocessen forstås summen af varmeoverførsel ved advektion og diffusion/ledning.

Fri eller naturlig konvektion opstår, når en væskes volumetriske bevægelser (strømme og strømme) er forårsaget af opdriftskræfter, der skyldes ændringer i væskens temperaturafhængige tæthed. Tvunget konvektion opstår, når strømninger i en væske induceres af eksterne midler såsom ventilatorer, omrørere og pumper. [6]

Termisk stråling

Termisk stråling transmitteres gennem et vakuum eller et hvilket som helst transparent medium ( fast, flydende eller gasformigt ). Sådan overførsel af energi ved hjælp af fotoner af elektromagnetiske bølger, underlagt de samme love. [7]

Termisk stråling er den energi, der udsendes af stof i form af elektromagnetiske bølger på grund af tilstedeværelsen af termisk energi i alt stof ved en temperatur over det absolutte nulpunkt . Termisk stråling forplanter sig uden stof i et vakuum . [otte]

Termisk stråling eksisterer på grund af de tilfældige bevægelser af atomer og molekyler i stof. Fordi disse atomer og molekyler består af ladede partikler ( protoner og elektroner ), resulterer deres bevægelse i emission af elektromagnetisk stråling , som fører energi væk fra overfladen.

Stefan - Boltzmann-ligningen , som beskriver overførselshastigheden af strålingsenergi, for et objekt i vakuum er skrevet som følger:

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

For overførsel af stråling mellem to legemer er ligningen som følger:

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

hvor

${\displaystyle \phi _{q))$ varme flow,
$\epsilon$ - emissivitet (lig med én for en helt sort krop ),
$\sigma$ er Stefan-Boltzmann konstanten ,
$F$ synlighedskoefficient mellem to overflader a og b, [9] og
$T_{a}$ og er de absolutte temperaturer (i kelvin eller grader Rankine) for de to objekter. ${\displaystyle T_{b))$

Stråling er normalt kun vigtig for meget varme genstande, eller for genstande med store temperaturforskelle eller for legemer i et vakuum.

Stråling fra solen eller solstråling kan bruges til at generere varme og energi. [10] I modsætning til varmeledning og konvektive former for varmeoverførsel kan varmestråling, der ankommer i en snæver vinkel, det vil sige fra en kilde, der er meget mindre end afstanden til den, koncentreres i en lille plet ved hjælp af reflekterende spejle, der bruges til at koncentrere solenergi eller en brændende linse. [11] For eksempel bruges sollys, der reflekteres fra spejle, i PS10-solkraftværket, som kan varme vand op til 285 °C (545 °F) i løbet af dagen .

Den opnåelige temperatur ved målet er begrænset af temperaturen af den varme strålingskilde. ( Lov T 4 tillader den omvendte strøm af stråling for at opvarme kilden). Den varme sol (på overfladen har en temperatur på cirka 4000 K) tillader at nå cirka 3000 K (eller 3000 °C) på en lille sonde i fokus for et stort konkavt koncentrerende spejl i Mont-Louis solovn i Frankrig. [12]

Varmeoverførselskoefficient

Varmeoverførselskoefficienten viser, hvor meget varme der passerer per tidsenhed fra et mere opvarmet til et mindre opvarmet kølemiddel gennem 1 m 2 af varmevekslerfladen ved en temperaturforskel mellem kølemidlerne på 1 K. Det er normalt udtrykt i W / (m 2 ·K), opslagsbøger kan også angive mængden af flow på en time. I byggeriet er den gensidige værdi blevet udbredt - den "termiske modstandskoefficient".

Grundlæggende varmeoverførselsligning

Den grundlæggende varmeoverførselsligning: mængden af varme, der overføres fra et mere opvarmet legeme til et mindre opvarmet, er proportionalt med varmeoverførselsoverfladen, den gennemsnitlige temperaturforskel og tid:

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

hvor

K er varmeoverførselskoefficienten langs varmevekslerfladen, F er varmevekslerfladen, Δ t cf - gennemsnitlig logaritmisk temperaturforskel (gennemsnitlig temperaturforskel mellem varmebærere), τ er tid.

Noter

↑ Masseoverførsel . Termiske væskerPedia . Centrale termiske væsker. Hentet 9. marts 2021. Arkiveret fra originalen 12. april 2021. (ubestemt)
↑ 1 2 Abbott, JM Introduktion til kemiteknik termodynamik / JM Abbott, HC Smith, MM Van Ness. — 7. - Boston, Montreal: McGraw-Hill, 2005. - ISBN 0-07-310445-0 .
↑ Varmeledning . Termiske væskerPedia . Centrale termiske væsker. Hentet 9. marts 2021. Arkiveret fra originalen 12. april 2021. (ubestemt)
↑ Zengel, Yunus. Varmeoverførsel: En praktisk tilgang . — 2. - Boston : McGraw-Hill, 2003. - ISBN 978-0-07-245893-0 . Arkiveret 26. maj 2021 på Wayback Machine
↑ Konvektiv varmeoverførsel . Termiske væskerPedia . Centrale termiske væsker. Hentet 9. marts 2021. Arkiveret fra originalen 31. oktober 2018. (ubestemt)
↑ Konvektion - Varmeoverførsel . Ingeniører Edge. Hentet 20. april 2009. Arkiveret fra originalen 18. november 2018. (ubestemt)
↑ Transportprocesser og adskillelsesprincipper. — Prentice Hall. — ISBN 0-13-101367-X .
↑ Stråling . Termiske væskerPedia . Centrale termiske væsker. Hentet 9. marts 2021. Arkiveret fra originalen 14. marts 2021. (ubestemt)
↑ Termisk strålingsvarmeoverførsel. - Taylor og Francis.
↑ Mojiri, A (2013). "Spektral stråleopdeling til effektiv konvertering af solenergi - En gennemgang." Anmeldelser af vedvarende og bæredygtig energi . 28 : 654-663. DOI : 10.1016/j.rser.2013.08.026 .
↑ Taylor, Robert A. (marts 2011). "Anvendelse af nanovæsker i højflux solfangere" . Journal of Renewable and Sustainable Energy . 3 (2): 023104. doi : 10.1063 /1.3571565 . Arkiveret fra originalen 2021-04-19 . Hentet 2021-03-09 . Forældet parameter brugt |deadlink=( hjælp )
↑ Megan Crouse: This Gigantic Solar Furnace Can Melt Steel Arkiveret 25. juli 2019 på Wayback Machine manufacturing.net, 28. juli 2016, hentet 14. april 2019.

Litteratur

Grigoriev B. A., Tsvetkov F. F. Varme- og masseoverførsel: Proc. godtgørelse - 2. udg. - M: MPEI, 2005.
Isachenko V.P. et al. Varmeoverførsel: En lærebog for universiteter. 3. udg., revideret. og yderligere - M .: Energi, 1975.
Galin N. M., Kirillov P. L. Varme- og masseoverførsel. — M.: Energoatomizdat, 1987.
Kartashov EM Analytiske metoder til termisk ledningsevne af faste stoffer. - M .: Højere. skole, 1989.
Krupnov B. A., Sharafadinov N. S. Retningslinjer for design af varme-, ventilations- og klimaanlæg. 2008
Kotlyar Ya. M., Perfection VD, Strizhenov DS Metoder og problemer med varme- og masseoverførsel. - M .: Mashinostroenie, 1987. - 320 s.
Lykov AV, Mikhailov Yu. A. Teori om energi- og stofoverførsel. - Minsk, BSSR's Videnskabsakademi, 1959. - 330 s.