Теплопередача

Моделирование тепловой конвекции в мантии Земли . Цвета варьируются от красного и зеленого до синего при понижении температуры. Горячий, менее плотный нижний пограничный слой направляет струи горячего материала вверх, а холодный материал сверху движется вниз.

Теплообмен - это дисциплина теплотехники, которая касается производства, использования, преобразования и обмена тепловой энергии ( тепла ) между физическими системами. Передача тепла подразделяется на различные механизмы, такие как теплопроводность , тепловая конвекция , тепловое излучение и передача энергии за счет фазовых переходов . Инженеры также рассматривают перенос массы различных химических веществ (массоперенос в форме адвекции), холодной или горячей, для достижения теплопередачи. Хотя эти механизмы имеют разные характеристики, они часто возникают одновременно в одной и той же системе.

Теплопроводность, также называемая диффузией, представляет собой прямой микроскопический обмен кинетической энергией частиц (например, молекул) или квазичастиц (например, волн решетки) через границу между двумя системами. Когда объект имеет температуру, отличную от температуры другого тела или его окружения, тепло течет так, что тело и окружающая среда достигают одинаковой температуры, и в этот момент они находятся в тепловом равновесии . Такая самопроизвольная передача тепла всегда происходит из области с высокой температурой в другую область с более низкой температурой, как описано во втором законе термодинамики .

Тепловая конвекция возникает, когда объемный поток жидкости (газа или жидкости) переносит тепло через жидкость. Все конвективные процессы также перемещают тепло частично за счет диффузии. Поток жидкости может быть вызван внешними процессами или иногда (в гравитационных полях) силами плавучести, возникающими, когда тепловая энергия расширяет жидкость (например, в огненном шлейфе), тем самым влияя на ее перенос. Последний процесс часто называют «естественной конвекцией». Первый процесс часто называют «принудительной конвекцией». В этом случае жидкость заставляют течь с помощью насоса, вентилятора или других механических средств.

Тепловое излучение происходит через вакуум или любой прозрачной среде ( твердой или жидкости или газа ). Это передача энергии с помощью фотонов или электромагнитных волн, подчиняющаяся одним и тем же законам. ^[1]

Обзор

Тепло определяется в физике как передача тепловой энергии через четко определенную границу вокруг термодинамической системы . Термодинамическая свободная энергия является объемом работы , что термодинамическая система может выполнять. Энтальпия - это термодинамический потенциал , обозначаемый буквой «H», который представляет собой сумму внутренней энергии системы (U) плюс произведение давления (P) и объема (V). Джоуль - это единица измерения энергии , работы или количества тепла.

Теплопередача - это функция процесса (или функция пути), в отличие от функций состояния ; Таким образом, количество тепла , передаваемого в термодинамическом процессе , который изменяет состояние в виде системы зависит от того, как происходит этот процесс, не только чистую разницу между начальным и конечным состояниями процесса.

Термодинамическая и механическая теплопередача рассчитывается с учетом коэффициента теплопередачи , пропорциональности между тепловым потоком и термодинамической движущей силой для потока тепла. Тепловой поток - это количественное векторное представление теплового потока через поверхность. ^[2]

В инженерном контексте термин « тепло» используется как синоним тепловой энергии. Это использование берет свое начало в исторической интерпретации тепла как текучей среды ( калорий ), которая может передаваться по разным причинам ^[3], и это также распространено в языке мирян и в повседневной жизни.

Уравнения переноса для тепловой энергии ( закон Фурье ), механического импульса ( закон Ньютона для жидкостей ) и массопереноса ( законы диффузии Фика ) аналогичны ^{[4] [5],} и аналогии между этими тремя процессами переноса были разработаны, чтобы облегчить предсказание перехода от одного к другому. ^[5]

Тепловая инженерия касается генерации, использования, преобразования, хранения и обмена теплопередачей. Таким образом, передача тепла используется практически во всех секторах экономики. ^[6] Теплопередача подразделяется на различные механизмы, такие как теплопроводность , тепловая конвекция , тепловое излучение и передача энергии за счет фазовых переходов .

Механизмы

Основные режимы теплопередачи:

Адвекция

Адвекция - это механизм переноса жидкости из одного места в другое, и он зависит от движения и количества движения этой жидкости.

Проводимость или диффузия

Передача энергии между объектами, находящимися в физическом контакте. Теплопроводность - это свойство материала проводить тепло, которое оценивается в первую очередь с точки зрения закона Фурье для теплопроводности.

Конвекция

Передача энергии между объектом и окружающей средой за счет движения жидкости. Средняя температура является эталоном для оценки свойств, связанных с конвективной теплопередачей.

Радиация

Передача энергии путем испускания электромагнитного излучения .

Адвекция

Путем передачи материи энергия, включая тепловую, перемещается путем физического переноса горячего или холодного объекта из одного места в другое. ^[7] Это может быть так же просто, как налить горячую воду в бутылку и нагреть кровать или передвижение айсберга при изменении океанских течений. Практический пример - теплогидравлика . Это можно описать формулой:

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

где

• ${\ displaystyle \ phi _ {q}}$это тепловой поток (Вт / м ² ),
• ${\ displaystyle \ rho}$плотность (кг / м ³ ),
• ${\ displaystyle c_ {p}}$ - теплоемкость при постоянном давлении (Дж / кг · К),
• ${\ displaystyle \ Delta T}$ - разница температур (К),
• ${\ displaystyle v}$ скорость (м / с).

Проведение

В микроскопическом масштабе теплопроводность происходит, когда горячие, быстро движущиеся или колеблющиеся атомы и молекулы взаимодействуют с соседними атомами и молекулами, передавая часть своей энергии (тепла) этим соседним частицам. Другими словами, тепло передается за счет теплопроводности, когда соседние атомы вибрируют друг относительно друга или когда электроны перемещаются от одного атома к другому. Электропроводность является наиболее важным средством передачи тепла внутри твердого тела или между твердыми объектами, находящимися в тепловом контакте . Жидкости, особенно газы, обладают меньшей проводимостью. Тепловая проводимость контакта - это исследование теплопроводности между контактирующими твердыми телами. ^[8]Процесс передачи тепла из одного места в другое без движения частиц называется теплопроводностью, например, когда вы кладете руку на холодный стакан с водой - тепло передается от теплой кожи к холодному стеклу, но если рука Если держать его на расстоянии нескольких дюймов от стекла, теплопроводность будет низкой, поскольку воздух плохо проводит тепло. Стационарная проводимость - это идеализированная модель проводимости, которая возникает, когда разность температур, управляющая проводимостью, является постоянной, так что через некоторое время пространственное распределение температур в проводящем объекте больше не изменяется (см . Закон Фурье ). ^[9]В установившемся режиме теплопроводности количество тепла, поступающего в секцию, равно количеству выходящего тепла, поскольку изменение температуры (мера тепловой энергии) равно нулю. ^[8] Примером стационарной теплопроводности является поток тепла через стены теплого дома в холодный день - внутри дома поддерживается высокая температура, а снаружи температура остается низкой, поэтому передача тепла в единицу времени остается около постоянной скорости, определяемой изоляцией в стене, а пространственное распределение температуры в стенах будет примерно постоянным с течением времени.

Переходная проводимость (см. Уравнение тепла ) возникает, когда температура внутри объекта изменяется как функция времени. Анализ переходных систем более сложен, и аналитические решения уравнения теплопроводности действительны только для идеализированных модельных систем. Практические приложения обычно исследуются с использованием численных методов, методов аппроксимации или эмпирических исследований. ^[8]

Конвекция

Поток жидкости может быть вызван внешними процессами или иногда (в гравитационных полях) силами плавучести, возникающими, когда тепловая энергия расширяет жидкость (например, в огненном шлейфе), тем самым влияя на ее перенос. Последний процесс часто называют «естественной конвекцией». Все конвективные процессы также перемещают тепло частично за счет диффузии. Другой вид конвекции - это принудительная конвекция. В этом случае жидкость заставляют течь с помощью насоса, вентилятора или других механических средств.

Конвективная теплопередача , или просто конвекция, - это передача тепла от одного места к другому за счет движения жидкостей , процесс, который по сути является передачей тепла посредством массообмена . Массовое движение жидкости увеличивает теплопередачу во многих физических ситуациях, таких как (например) между твердой поверхностью и жидкостью. ^[10] Конвекция обычно является доминирующей формой теплопередачи в жидкостях и газах. Хотя иногда его называют третьим методом теплопередачи, конвекция обычно используется для описания комбинированных эффектов теплопроводности внутри жидкости (диффузия) и теплопередачи за счет потокового потока объемной жидкости. ^[11]Процесс переноса потоком жидкости известен как адвекция, но чистая адвекция - это термин, который обычно ассоциируется только с переносом массы в жидкости, например адвекцией гальки в реке. В случае теплопередачи в жидкостях, где перенос посредством адвекции в жидкости всегда сопровождается переносом посредством диффузии тепла (также известной как теплопроводность), процесс тепловой конвекции понимается как сумма переноса тепла посредством адвекции и диффузия / проводимость.

Свободная или естественная конвекция возникает, когда объемные движения жидкости (потоки и течения) вызываются силами плавучести, которые возникают в результате изменений плотности из-за изменений температуры в жидкости. Принудительная конвекция - это термин, используемый, когда потоки и токи в жидкости индуцируются внешними средствами, такими как вентиляторы, мешалки и насосы, создавая искусственно индуцированный конвекционный ток. ^[12]

Конвекционное охлаждение

Конвективное охлаждение иногда называют законом охлаждения Ньютона :

Скорость потери тепла телом пропорциональна разнице температур между телом и окружающей средой .

Однако, по определению, закон охлаждения Ньютона требует, чтобы скорость потери тепла в результате конвекции была линейной функцией («пропорциональной») разности температур, которая управляет теплопередачей, а при конвективном охлаждении это иногда не так. . В общем, конвекция не зависит линейно от температурных градиентов , а в некоторых случаях сильно нелинейна. В этих случаях закон Ньютона не применяется.

Конвекция против проводимости

В теле жидкости, которая нагревается из-под своего сосуда, можно рассматривать проводимость и конвекцию как конкурирующие за доминирование. Если теплопроводность слишком велика, жидкость, движущаяся вниз за счет конвекции, нагревается за счет теплопроводности так быстро, что ее движение вниз будет остановлено из-за ее плавучести , в то время как жидкость, движущаяся вверх за счет конвекции, охлаждается за счет теплопроводности так быстро, что ее движущая сила плавучести уменьшается. С другой стороны, если теплопроводность очень низкая, может образоваться большой градиент температуры и конвекция может быть очень сильной.

Число Рэлея ( ) является произведением чисел Грасгофа ( ) и Прандтля ( ). Это мера, которая определяет относительную силу проводимости и конвекции. ^[13]${\ displaystyle {\ rm {Ra}}}$${\ displaystyle {\ rm {Gr}}}$${\ displaystyle {\ rm {Pr}}}$

${\displaystyle \mathrm {Ra} =\mathrm {Gr} \cdot \mathrm {Pr} ={\frac {g\Delta \rho L^{3}}{\mu \alpha }}={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu \alpha }}}$

где

• g - ускорение свободного падения,
• ρ - плотность, являющаяся разницей плотностей между нижним и верхним концом,${\displaystyle \Delta \rho }$
• μ - динамическая вязкость ,
• α - температуропроводность ,
• β - объемное тепловое расширение (в другом месте иногда обозначается α ),
• Т - температура,
• ν - кинематическая вязкость , а
• L - характерная длина.

Число Рэлея можно понимать как отношение скорости теплопередачи за счет конвекции к скорости теплопередачи за счет теплопроводности; или, что то же самое, соотношение между соответствующими временными шкалами (т. е. шкала времени проводимости, деленная на шкалу времени конвекции), вплоть до числового коэффициента. Это можно увидеть следующим образом, где все расчеты производятся с точностью до числовых факторов, зависящих от геометрии системы.

Сила плавучести, вызывающая конвекцию, примерно равна , поэтому соответствующее давление примерно равно . В установившемся режиме это компенсируется напряжением сдвига из-за вязкости, и поэтому примерно равно , где V - типичная скорость жидкости из-за конвекции и порядок ее временной шкалы. ^{[ необходима цитата ]} Шкала времени проведения, с другой стороны, порядка .${\displaystyle g\Delta \rho L^{3}}$${\displaystyle g\Delta \rho L}$${\displaystyle \mu V/L=\mu /T_{\rm {conv}}}$${\displaystyle T_{\rm {conv}}}$${\displaystyle T_{\rm {cond}}=L^{2}/\alpha }$

Конвекция возникает, когда число Рэлея превышает 1 000–2 000.

Радиация

Радиационная теплопередача - это передача энергии посредством теплового излучения , т. Е. Электромагнитных волн . ^[1] Это происходит через вакуум или любой прозрачной среде ( твердой или жидкости или газа ). ^[14] Тепловое излучение излучается всеми объектами при температурах выше абсолютного нуля из-за случайных движений атомов и молекул в веществе. Поскольку эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц ( протонов и электронов ), их движение приводит к испусканию электромагнитного излучения.который уносит энергию. Радиация обычно важна только в инженерных приложениях для очень горячих объектов или для объектов с большой разницей температур.

Когда объекты и разделяющие их расстояния имеют большие размеры и по сравнению с длиной волны теплового излучения, скорость передачи лучистой энергии лучше всего описывается уравнением Стефана-Больцмана . Для объекта в вакууме уравнение выглядит следующим образом:

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

Для переноса излучения между двумя объектами уравнение выглядит следующим образом:

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

где

• ${\displaystyle \phi _{q}}$это тепловой поток ,
• ${\displaystyle \epsilon }$- коэффициент излучения (единица для черного тела ),
• ${\displaystyle \sigma }$- постоянная Стефана – Больцмана ,
• ${\displaystyle F}$коэффициент обзора между двумя поверхностями a и b, ^[15] и
• ${\displaystyle T_{a}}$и - абсолютные температуры (в кельвинах или градусах Ренкина ) для двух объектов.${\displaystyle T_{b}}$

Предел черного тела, установленный уравнением Стефана-Больцмана, может быть превышен, когда объекты, обменивающиеся тепловым излучением, или расстояния, разделяющие их, сопоставимы по масштабу или меньше доминирующей длины тепловой волны . Изучение этих случаев называется радиационным теплопереносом в ближней зоне .

Излучение солнца или солнечное излучение можно использовать для получения тепла и энергии. ^[16] В отличие от кондуктивных и конвективных форм теплопередачи, тепловое излучение, приходящее под узким углом, то есть исходящее от источника, намного меньшего, чем его расстояние, может быть сконцентрировано в небольшом пятне с помощью отражающих зеркал, которые используются для концентрации солнечной энергии. поколение или горящее стекло . ^[17] Например, солнечный свет, отраженный от зеркал, нагревает солнечную электростанцию ​​PS10, а в течение дня он может нагревать воду до 285 ° C (545 ° F). ^{[ необходима цитата ]}

Достижимая температура на цели ограничена температурой горячего источника излучения. (Т ⁴ -закон позволяет обратному потоку излучения обратно к источнику подниматься.) Горячее солнце (на его поверхности) примерно 4000 К позволяет достичь примерно 3000 К (или 3000 ° C, что составляет около 3273 К) при температуре маленький зонд в фокусе большого вогнутого концентрирующего зеркала солнечной печи Мон-Луи во Франции. ^[18]

Фаза перехода

Фазовый переход или фазовое изменение происходит в термодинамической системе из одной фазы или состояния вещества в другое за счет теплопередачи. Примеры фазовых переходов - таяние льда или кипение воды. Уравнение Мейсона объясняет рост капли воды на основе эффектов переноса тепла на испарение и конденсацию.

Фазовые переходы включают четыре основных состояния вещества :

• Твердое тело - осаждение, замерзание и преобразование твердого вещества в твердое.
• Газ - кипение / испарение, рекомбинация  /  деионизация и сублимация .
• Жидкость - Конденсация и плавление / плавление .
• Плазма - Ионизация .

Кипячение

Точка кипения вещества - это температура, при которой давление пара жидкости равно давлению, окружающему жидкость ^{[20] [21],} и жидкость испаряется, что приводит к резкому изменению объема пара.

В замкнутой системе , температура насыщения и температура кипения означает то же самое. Температура насыщения - это температура для соответствующего давления насыщения, при котором жидкость переходит в свою паровую фазу. Можно сказать, что жидкость насыщена тепловой энергией. Любое добавление тепловой энергии приводит к фазовому переходу.

При нормальном атмосферном давлении и низких температурах кипения не происходит, а скорость теплопередачи регулируется обычными однофазными механизмами. При повышении температуры поверхности происходит локальное кипение, пузырьки пара зарождаются, прорастают в окружающую более холодную жидкость и схлопываются. Это пузырьковое кипение с переохлаждением и очень эффективный механизм теплопередачи. При высоких скоростях образования пузырьков пузырьки начинают мешать, и тепловой поток больше не увеличивается быстро с увеличением температуры поверхности (это отклонение от пузырькового кипения , или DNB).

При аналогичном стандартном атмосферном давлении и высоких температурах достигается более тихий с гидродинамической точки зрения режим пленочного кипения . Тепловые потоки через стабильные паровые слои невелики, но медленно растут с температурой. Любой контакт между жидкостью и поверхностью, который можно увидеть, вероятно, приводит к чрезвычайно быстрому зарождению свежего парового слоя («спонтанному зарождению »). Еще при более высоких температурах достигается максимум теплового потока ( критический тепловой поток , или CHF).

Эффект Лейденфроста демонстрирует, как пузырьковое кипение замедляет теплопередачу из-за пузырьков газа на поверхности нагревателя. Как уже упоминалось, теплопроводность газовой фазы намного ниже теплопроводности жидкой фазы, поэтому в результате возникает своего рода «газовый тепловой барьер».

Конденсация

Конденсация происходит, когда пар охлаждается и меняет свою фазу на жидкость. Во время конденсации должна высвобождаться скрытая теплота парообразования . Количество тепла такое же, как и количество тепла, поглощаемое при испарении при том же давлении жидкости. ^[22]

Есть несколько видов конденсации:

• Однородная конденсация, как при образовании тумана.
• Конденсация при прямом контакте с переохлажденной жидкостью.
• Конденсация при прямом контакте с охлаждающей стенкой теплообменника: это наиболее распространенный режим, используемый в промышленности:
  • Пленочная конденсация - это образование жидкой пленки на переохлажденной поверхности и обычно происходит, когда жидкость смачивает поверхность.
  • Капельная конденсация - это когда жидкие капли образуются на переохлажденной поверхности, и обычно происходит, когда жидкость не смачивает поверхность.

Надежно поддерживать капельную конденсацию сложно; поэтому промышленное оборудование обычно проектируется для работы в режиме пленочной конденсации.

Плавление

Плавление - это термический процесс, который приводит к фазовому переходу вещества из твердого тела в жидкость . Внутренняя энергия вещества увеличивается, как правило , с высокой температурой или давлением, что приводит к повышению его температуры до точки плавления , при которой упорядочение ионных или молекулярных образований в твердых перерывах вплоть до менее упорядоченного состояния и твердых сжижается . Расплавленные вещества обычно имеют пониженную вязкость при повышенной температуре; Исключением из этого принципа является элементная сера , вязкость которой увеличивается до определенного предела из-за полимеризации, а затем уменьшается с повышением температуры в расплавленном состоянии. ^[23]

Подходы к моделированию

Теплообмен можно моделировать по-разному.

Уравнение тепла

Уравнение теплопроводности - это важное дифференциальное уравнение в частных производных, которое описывает распределение тепла (или изменение температуры) в заданной области во времени. В некоторых случаях доступны точные решения уравнения; ^[24], в других случаях уравнение должно быть решено численно с использованием вычислительных методов, таких как модели на основе ЦМР для систем с термическими / реагирующими частицами (критически проанализировано Пенгом и др. ^[25] ).

Сосредоточенный системный анализ

Анализ сосредоточенных систем часто сводит сложность уравнений к одному линейному дифференциальному уравнению первого порядка, и в этом случае нагрев и охлаждение описываются простым экспоненциальным решением, часто называемым законом охлаждения Ньютона .

Системный анализ с помощью модели сосредоточенной емкости - это обычное приближение к переходной проводимости, которое можно использовать, когда теплопроводность внутри объекта намного быстрее, чем теплопроводность через границу объекта. Это метод аппроксимации, который сводит один аспект переходной системы проводимости - внутри объекта - к эквивалентной системе устойчивого состояния. То есть метод предполагает, что температура внутри объекта полностью однородна, хотя ее значение может меняться со временем.

В этом методе рассчитывается отношение сопротивления теплопроводности внутри объекта к сопротивлению конвективной теплопередаче на границе объекта, известное как число Био . Для малых чисел Био можно использовать приближение пространственно однородной температуры внутри объекта : можно предположить, что тепло, передаваемое в объект, успевает равномерно распределиться из-за более низкого сопротивления этому по сравнению с сопротивлением поступление тепла в объект. ^[26]

Климатические модели

Климатические модели изучают лучистую теплопередачу с использованием количественных методов для моделирования взаимодействия атмосферы, океанов, поверхности суши и льда.

Инженерное дело

Теплопередача имеет широкое применение для функционирования множества устройств и систем. Принципы теплопередачи могут использоваться для сохранения, повышения или понижения температуры в самых разных обстоятельствах. ^{[ необходима цитата ]} Методы теплопередачи используются во многих дисциплинах, таких как автомобилестроение , тепловое управление электронных устройств и систем , климат-контроль , изоляция , обработка материалов , химическая инженерия и инженерия электростанций .

Изоляция, сияние и стойкость

Теплоизоляторы - это материалы, специально разработанные для уменьшения теплового потока за счет ограничения теплопроводности, конвекции или того и другого. Термическое сопротивление - это тепловое свойство и измерение, с помощью которого объект или материал сопротивляются тепловому потоку (количество тепла за единицу времени или тепловое сопротивление) до разницы температур.

Яркость или спектральная яркость - это меры количества излучения, которое проходит или испускается. Излучающие барьеры - это материалы, которые отражают излучение и, следовательно, уменьшают поток тепла от источников излучения. Хорошие изоляторы не обязательно являются хорошими излучающими барьерами, и наоборот. Например, металл - отличный отражатель и плохой изолятор.

На эффективность излучающего барьера указывает его коэффициент отражения , который представляет собой долю отраженного излучения. Материал с высокой отражательной способностью (на данной длине волны) имеет низкий коэффициент излучения (на той же длине волны), и наоборот. На любой конкретной длине волны отражательная способность = 1 - коэффициент излучения. Идеальный излучающий барьер должен иметь коэффициент отражения, равный 1, и, следовательно, отражать 100 процентов входящего излучения. Термосы , или сосуды Дьюара, украшены серебром, чтобы приблизиться к этому идеалу. В космическом вакууме спутники используют многослойную изоляцию , которая состоит из множества слоев алюминизированного (блестящего) майлара, чтобы значительно снизить радиационную теплопередачу и контролировать температуру спутника. ^{[цитата необходима ]}

Устройства

Тепловой двигатель является системой , которая выполняет преобразование потока тепловой энергии (тепла) в механическую энергию для выполнения механической работы . ^{[27] [28]}

Термопара представляет собой температуру устройство измерения и широко используемого тип датчика температуры для измерения и контроля, а также может быть использована для преобразования тепла в электрическую энергию.

Термоэлектрический охладитель представляет собой твердотельный электронное устройство , которое передает насосы () тепла от одной стороны устройства к другому , когда электрический ток проходит через него. В его основе лежит эффект Пельтье .

Тепловой диод или термический выпрямитель представляет собой устройство , которое вызывает тепло течь преимущественно в одном направлении.

Теплообменники

Теплообменник используется для более эффективной передачи тепла или для отвода тепла. Теплообменники широко используются в холодильной технике , кондиционировании воздуха , обогреве помещений , производстве электроэнергии и химической обработке. Одним из распространенных примеров теплообменников является автомобильный радиатор, в котором горячая охлаждающая жидкость охлаждается потоком воздуха над поверхностью радиатора. ^{[ необходима цитата ] [29]}

Общие типы потоков теплообменника включают параллельный поток, противоток и перекрестный поток. В параллельном потоке обе жидкости движутся в одном направлении, передавая тепло; в противотоке жидкости движутся в противоположных направлениях; и в поперечном потоке жидкости движутся под прямым углом друг к другу. К распространенным типам теплообменников относятся кожухотрубные , двухтрубные , экструдированные оребренные трубы, спирально-оребренные трубы, U-образные трубы и многослойные пластины. Каждый тип имеет определенные преимущества и недостатки по сравнению с другими типами. ^{[ требуется дальнейшее объяснение ]}

Радиатор является компонентом , который передает тепло , выделяемое внутри твердого материала в жидкой среде, такой как воздух или жидкость. Примерами радиаторов являются теплообменники, используемые в системах охлаждения и кондиционирования воздуха, или радиаторы в автомобиле. Тепловая труба является еще одним теплопередачи устройство , которое сочетает в себе теплопроводность и фазовый переход для эффективной передачи тепла между двумя твердыми интерфейсами.

Приложения

Архитектура

Эффективное использование энергии - это цель уменьшения количества энергии, необходимой для обогрева или охлаждения. В архитектуре конденсация и воздушные потоки могут вызвать косметические или структурные повреждения. Энергоаудит может помочь оценить выполнение рекомендованных корректирующих процедур. Например, улучшение теплоизоляции, герметизация структурных протечек или установка энергоэффективных окон и дверей. ^[30]

• Умный счетчик - это устройство, которое записывает потребление электроэнергии через определенные промежутки времени.
• Коэффициент теплопередачи является скорость передачи тепла через структуру делили на разность температур по всей структуре. Он выражается в ваттах на квадратный метр на кельвин или Вт / (м ² К). Хорошо изолированные части здания имеют низкий коэффициент теплопередачи, тогда как плохо изолированные части здания имеют высокий коэффициент теплопроводности.
• Термостат - это устройство для контроля и регулирования температуры.

Климатическая инженерия

Климатическая инженерия состоит из удаления углекислого газа и управления солнечной радиацией . Поскольку количество углекислого газа определяет радиационный баланс атмосферы Земли, методы удаления углекислого газа могут применяться для уменьшения радиационного воздействия . Управление солнечной радиацией - это попытка поглощать меньше солнечной радиации, чтобы компенсировать воздействие парниковых газов .

Парниковый эффект

Парниковый эффект представляет собой процесс , посредством которого тепловое излучение от поверхности планеты поглощается парниковых газов в атмосфере, и повторно излучается во всех направлениях. Поскольку часть этого переизлучения возвращается к поверхности и нижним слоям атмосферы, это приводит к повышению средней температуры поверхности по сравнению с тем, что было бы в отсутствие газов.

Теплообмен в организме человека

Принципы теплопередачи в инженерных системах могут быть применены к человеческому телу, чтобы определить, как тело передает тепло. Тепло вырабатывается в организме в результате непрерывного метаболизма питательных веществ, которые обеспечивают энергией системы организма. ^[31] Человеческое тело должно поддерживать постоянную внутреннюю температуру для поддержания здоровых функций организма. Поэтому необходимо отводить излишки тепла от тела, чтобы не допустить его перегрева. Когда человек занимается повышенным уровнем физической активности, организму требуется дополнительное топливо, которое увеличивает скорость метаболизма и скорость производства тепла. Затем организм должен использовать дополнительные методы для удаления дополнительного тепла, чтобы поддерживать внутреннюю температуру на здоровом уровне.

Передача тепла за счет конвекции обеспечивается движением жидкостей по поверхности тела. Эта конвективная жидкость может быть жидкостью или газом. Для передачи тепла от внешней поверхности тела механизм конвекции зависит от площади поверхности тела, скорости воздуха и градиента температуры между поверхностью кожи и окружающим воздухом. ^[32]Нормальная температура тела составляет примерно 37 ° C. Теплообмен происходит быстрее, когда температура окружающей среды значительно ниже нормальной температуры тела. Эта концепция объясняет, почему человек чувствует себя холодным, когда на нем недостаточно покрывала, когда он находится в холодной среде. Одежду можно рассматривать как изолятор, который обеспечивает тепловое сопротивление тепловому потоку по закрытой части тела. ^[33] Это тепловое сопротивление приводит к тому, что температура на поверхности одежды ниже, чем температура на поверхности кожи. Этот меньший температурный градиент между температурой поверхности и температурой окружающей среды приведет к более низкой скорости теплопередачи, чем если бы кожа не была покрыта.

Чтобы одна часть тела не была значительно горячее, чем другая, тепло должно равномерно распределяться по тканям тела. Кровь, текущая по кровеносным сосудам, действует как конвективная жидкость и помогает предотвратить накопление избыточного тепла внутри тканей тела. Этот поток крови через сосуды можно смоделировать как поток в трубе в инженерной системе. Тепло, переносимое кровью, определяется температурой окружающей ткани, диаметром кровеносного сосуда, толщиной жидкости , скоростью потока и коэффициентом теплопередачи крови. Скорость, диаметр кровеносных сосудов и толщина жидкости могут быть связаны с числом Рейнольдса., безразмерное число, используемое в механике жидкости для характеристики потока жидкости.

Скрытая потеря тепла , также известная как потеря тепла за счет испарения, составляет значительную часть потерь тепла от тела. Когда внутренняя температура тела увеличивается, тело запускает потовые железы в коже, чтобы принести дополнительную влагу на поверхность кожи. Затем жидкость превращается в пар, который отводит тепло от поверхности тела. ^[34] Скорость потери тепла при испарении напрямую связана с давлением пара на поверхности кожи и количеством влаги, присутствующей на коже. ^[32] Таким образом, максимальная теплопередача будет, когда кожа полностью влажная. Тело постоянно теряет воду за счет испарения, но наиболее значительная потеря тепла происходит в периоды повышенной физической активности.

Техника охлаждения

Охлаждение испарением

Испарительное охлаждение происходит при добавлении водяного пара в окружающий воздух. Энергия, необходимая для испарения воды, берется из воздуха в виде явного тепла и преобразуется в скрытое тепло, в то время как энтальпия воздуха остается постоянной . Скрытая теплота описывает количество тепла, которое необходимо для испарения жидкости; это тепло исходит от самой жидкости, а также от окружающего газа и поверхностей. Чем больше разница между двумя температурами, тем больше эффект охлаждения испарением. При одинаковых температурах чистого испарения воды из воздуха не происходит; таким образом, отсутствует охлаждающий эффект.

Лазерное охлаждение

В квантовой физике , лазерное охлаждение используется для достижения температуры вблизи абсолютного нуля (-273,15 ° С, -459,67 ° F) атомных и молекулярных образцов , чтобы наблюдать уникальные квантовые эффекты , которые могут возникнуть только на этом уровне тепла.

• Доплеровское охлаждение - наиболее распространенный метод лазерного охлаждения.
• Симпатическое охлаждение - это процесс, при котором частицы одного типа охлаждают частицы другого типа. Обычно атомарные ионы, которые можно напрямую охлаждать лазером, используются для охлаждения соседних ионов или атомов. Этот метод позволяет охлаждать ионы и атомы, которые нельзя охлаждать лазером напрямую. ^{[ необходима цитата ]}

Магнитное охлаждение

Магнитное испарительное охлаждение - это процесс понижения температуры группы атомов после предварительного охлаждения такими методами, как лазерное охлаждение. Магнитное охлаждение охлаждает ниже 0,3K за счет использования магнитокалорического эффекта .

Радиационное охлаждение

Радиационное охлаждение - это процесс, при котором тело теряет тепло за счет излучения. Исходящая энергия - важный эффект в энергетическом балансе Земли . В случае системы Земля-атмосфера это относится к процессу, при котором длинноволновое (инфракрасное) излучение излучается, чтобы уравновесить поглощение коротковолновой (видимой) энергии Солнца. Термосфера (верхняя часть атмосферы) охлаждается в космос в основном за счет инфракрасной энергии, излучаемой диоксидом углерода (СО2) на 15 мкм и оксидом азота (NO) на 5,3 мкм. ^[35] Конвективный перенос тепла и испарительный перенос скрытого тепла отводят тепло от поверхности и перераспределяют его в атмосфере.

Накопитель тепловой энергии

Накопление тепловой энергии включает в себя технологии сбора и хранения энергии для последующего использования. Его можно использовать для балансировки энергопотребления в дневное и ночное время. Тепловой резервуар может поддерживаться при температуре выше или ниже температуры окружающей среды. Применения включают отопление помещений, бытовые или технологические системы горячего водоснабжения или выработку электроэнергии.

Смотрите также

• Комбинированная принудительная и естественная конвекция
• Теплоемкость
• Физика теплопередачи
• Закон Стефана – Больцмана
• Тепловая проводимость контакта
• Теплофизика
• Термическое сопротивление в электронике
• Улучшение теплопередачи

использованная литература

внешняя ссылка

Викискладе есть медиафайлы по теме теплопередачи .

• Учебник по теплопередаче - (скачать бесплатно).
• Thermal-FluidsPedia - онлайн-энциклопедия тепловых жидкостей.
• Статья по гиперфизике по теплопередаче - Обзор
• Межсезонная теплопередача - практический пример того, как теплопередача используется для обогрева зданий без сжигания ископаемого топлива.
• Аспекты теплопередачи, Кембриджский университет
• Центр тепловых жидкостей
• Energy2D: интерактивное моделирование теплопередачи для всех