Сложный теплообмен. Теплоотдача и теплопередача
Элементарные способы передачи теплоты.
(Виды процессов теплообмена)
Различают три элементарных способа передачи теплоты:
1. теплопроводность (кондукция);
2. конвекция;
3. тепловое излучение (радиационный теплообмен).
Теплопроводность (кондукция) – способ передачи теплоты за счет взаимодействия микрочастиц тела (атомов, молекул, ионов в электролитах и электронов в металлах) в переменном поле температур.
Теплопроводность имеет место в твердых, жидких и газообразных телах. В твердых телах теплопроводность является единственным способом передачи теплоты. В вакууме теплопроводность отсутствует.
Конвекция – способ передачи теплоты за счет перемещения макрообъемов среды из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом текучая среда (флюид) с более высокой температурой перемещается в область более низких температур, а холодный флюид – в область с высокой температурой. В вакууме конвекция теплоты невозможна.
Тепловое излучение (радиационный теплообмен) – способ передачи теплоты за счет распространения электромагнитных волн в определенном диапазоне частот.
Замечания:
— все тела выше 0 К обладают собственным тепловым излучением, то есть энергию излучают все тела;
— для передачи теплоты излучением не требуется тело-посредник, т.е. лучистая энергия может передаваться и в вакууме.
В природе и в технических устройствах, как правило, все три способа передачи теплоты происходят одновременно. Такой теплообмен называется сложным теплообменом.
Например, конвекция теплоты всегда протекает совместно с теплопроводностью, так как макрообъемы текучей среды состоят из микрообъемов, и есть неравномерное по пространству температурное поле. Передача теплоты совместно теплопроводностью и конвекцией называется конвективным теплообменом.
Совместная передача теплоты излучением и теплопроводностью называется радиационно-кондуктивным теплообменом.
Совместная передача теплоты излучением и конвекцией называется радиационно-конвективным теплообменом.
В природе и технике наиболее часто встречаются следующие два варианта сложного теплообмена:
— теплоотдача – процесс теплообмена между непроницаемой твёрдой стенкой и окружающей текучей средой;
— теплопередача – передача теплоты от одной текучей среды к другой текучей среде через непроницаемую твёрдую стенку.
Теплоотдача. График температурного поля при теплоотдаче показан на рис. 3. Температура текучей среды изменяется в очень узкой области, которая называется тепловым пограничным слоем.
Рис. 1.3. Схема процесса теплоотдачи: Tw – температура стенки; Tf – температура текучей среды; δq – толщина теплового пограничного слоя.
Заметим, что в зависимости от соотношения температур стенки Tw и флюида Tf тепловой поток Q может нагревать стенку при условии 
или охлаждать ее, если 
.
Процесс теплоотдачи может быть осуществлен сочетанием следующих элементарных процессов теплообмена:
— конвективная теплоотдача (конвекция + теплопроводность = конвективный теплообмен) – имеет место при омывании твердых поверхностей различной формы текучей средой ( лученепрозрачной капельной жидкостью);
— лучистая или радиационная теплоотдача (тепловое излучение)– имеет место при радиационном теплообмене в вакууме или между стенкой и излучающим и поглощающим неподвижным газом;
— радиационно - конвективная теплоотдача (тепловое излучение + конвективный теплообмен) – наиболее часто встречающийся в практике расчетов случай сложного теплообмена;
— конвективная теплоотдача при фазовых превращениях теплоносителя (конвекция + теплопроводность + возможно излучение) – теплоотдача при конденсации и кипении, протекающая с выделением или поглощением теплоты фазового перехода.
Расчет теплоотдачи заключается в определении теплового потока, которым обмениваются стенка и текучая среда. В инженерных расчетах теплоотдачи используется, так называемый закон теплоотдачи – закон Ньютона (1701 г.):
,
где Q – тепловой поток, Вт; 
– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К); Tf и Tw – температура текучей среды и стенки; F – площадь поверхности теплообмена.
Теплопередача. В курсе ТМО изучают расчет теплопередачи через стенки плоской, цилиндрической, сферической и произвольной формы. В нашем кратком курсе ограничимся расчетом теплопередачи через плоскую и цилиндрическую стенки. График температурного поля при теплопередаче через плоскую стенку показан на рис. 4.
Рис. 1.4. Схема процесса теплопередачи: Tf,1 и Tf,2 – температура горячего и холодного флюида (текучей среды); Tw,1 и Tw,1 – температура поверхностей плоской стенки; δ – толщина плоской стенки.
Итак, теплопередача включает в себя следующие процессы:
а) теплоотдачу от горячей текучей среды (горячего теплоносителя) к стенке;
б) теплопроводность внутри стенки;
в) теплоотдачу от стенки к холодной текучей среде (холодному теплоносителю).
Тепловой поток при теплопередаче, передаваемый от горячего флюида с температурой Tf,1 к холодному флюиду с температурой Tf,2 , рассчитывается по формуле (для плоской стенки):
,
где 
– коэффициент теплопередачи через плоскую стенку, Вт/(м2·К); Rt – термическое сопротивление теплопроводности плоской стенки, (м2·К)/Вт..
В заключение первого раздела курса можно сделать вывод о том, что для решения основной задачи расчета теплообмена – определения температурных полей и тепловых потоков при теплоотдаче и теплопередаче – необходимо уметь рассчитывать три элементарных способа передачи тепловой энергии.