Теплопередача

редактировать

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

Теплопередача - это дисциплина теплотехники, которые касаются генерации, использования, преобразование и обмен тепловой энергии (тепла ) между физическими системами. Передача тепла подразделяется на различные механизмы, такие как теплопроводность, тепловая конвекция, тепловое излучение и передача энергии посредством фазовых переходов. Инженеры также рассматривают перенос массы различных химических веществ, холодных или горячих, 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 через границу между двумя системами. Когда объект имеет другую температуру, чем другое тело или его окружение, тепло течет так, что тело и окружающая среда достигают одинаковой температуры, в этот момент они находятся в тепловое равновесие. Такая самопроизвольная теплопередача всегда происходит из области высокой температурной в другой области с более низкой температурой, как описано в втором законе термодинамики.

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

Тепловое излучение происходит через вакуум или любую прозрачную среду (твердое тело или жидкость или газ ). Это передача энергии посредством фотонов в электромагнитных волнах, подчиняющихся одним и тем же законам.

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Механизмы
    • 2.1 Адвекция
    • 2.2 Проводимость
    • 2.3 Конвекция
      • 2.3.1 Конвекция-охлаждение
    • 2.4 Конвекция в зависимости от проводимости
    • 2.5 Излучение
  • 3 Фазовый переход
    • 3.1 Кипение
    • 3.2 Конденсация
    • 3.3 Плавление
  • 4 Подходы к моделированию
    • 4.1 Тепловое уравнение
    • 4.2 Сосредоточенный анализ системы
    • 4.3 Климатические модели
  • 5 Конструирование
    • 5.1 Изоляция, светимость и сопротивление
    • 5.2 Устройство
      • 5.2.1 Теплообменники
  • 6 Области применения
    • 6.1 Архитектура
    • 6.2 Климатическая инженерия
    • 6.3 Парниковый эффект
    • 6.4 Теплообмен в организме человека
    • 6.5 Технологии охлаждения
      • 6.5.1 Испарительное охлаждение
      • 6.5.2 Лазерное охлаждение
      • 6.5.3 Магнитное охлаждение
      • 6.5.4 Радиационное охлаждение
    • 6.6 Накопление тепла энергии
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Внешние ссылки

Обзор

Длинноволновое тепловое излучение Земли интенсивность от облаков, атмосферы и поверхности.

Тепло определяется в физике как передача Тепло энергии через четко определенную границу вокруг термодинамической системы. термодинамическая свободная энергия - это количество работы, которое может выполнять термодинамическая система. Энтальпия - это термодинамический потенциал, обозначенный буквой «H», представляет собой сумму внутренней энергии системы (U) плюс произведение давление ( P) и объем (V). Джоуль - это единица измерения <5936>энергии, работы или количества тепла.

Теплопередача - это функция процесса (или функция состояния траектории), в отличие от функций ; следовательно, это количество тепла, ожидаемое в термодинамическом процессе, изменяет состояние системы системы, зависит от того, как этот процесс происходит, а не только чистая разница между начальным и конечное состояния процесса.

Термодинамическая и механическая теплопередача рассчитывается с помощью коэффициента теплопередачи, пропорциональности между тепловым потоком и термодинамическая движущая сила для тепла. Тепловой поток - это качественное представление теплового потока через поверхность.

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, и это также распространено в языке мирян и в повседневной жизни.

Уравнения переноса для энергии тепловой (закон Фурье ), механического импульса (закон Ньютона для жидкостей ) и массопереноса (Законы диффузии Фика ) для облегчения предсказания преобразования одного в другой были разработаны подобные, и аналогии между этими тремя процессами, переноса.

Тепловая инженерия касается генерации, использования, преобразования и обмен теплопередачей. Таким образом, передача тепла задействована почти во всех секторах экономики. Передача тепла подразделяется на различные механизмы, такие как теплопроводность, тепловая конвекция, тепловое излучение и передача энергии посредством фазовых переходов.

Механизмы

Основными способами теплопередачи являются:

Адвекция
Адвекция - это механизм переноса жидкости из одного места в другое и зависит от движения. и импульс 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 объектами и окружающей средой из-за движения жидкости. Средняя температура является эталоном для оценки свойств, связанной с конвективной теплопередачей.
Излучение
Передача энергии испускания электромагнитного излучения.

Адвекция

Перенос вещества, энергии - включая тепловую энергию - перемещается при физическом передаче горячего или холодного объекта из одного места в другое. 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:

ϕ q = v ρ cp Δ T {\ displaystyle \ phi _ {q} = v \ rho c_ {p} \ Delta T}{\ displaystyle \ phi _ {q} = v \ rho c_ {p} \ Delta T}

где

  • ϕ q {\ displaystyle \ phi _ {q}}{\ displaystyle \ phi _ {q}} - Тепловой поток (Вт / м),
  • ρ {\ displaystyle \ rho}\ rho - плотность (кг / м³),
  • cp {\ displaystyle c_ {p}}c_ {p} - теплоемкость при постоянном давлении (Дж / кг · К),
  • Δ T {\ displaystyle \ Delta T}\ Delta T - разница температур (К),
  • v {\ displaystyle v}v - скорость (м / с).

Проводимость

В микроскопических масштабах 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. Проводимость является важным средством передачи тепла внутри твердого тела или между твердыми объектами в тепловом контакте. Жидкости, особенно газы, обладают меньшей проводимостью. Тепловая проводимость контакта - это исследование теплопроводности между контактирующими твердыми телами. Процесс передачи тепла из одного места в другое без движения частиц называется теплопроводностью, например, при помещении руки на стакан с холодной водой - тепло передается от теплой кожи к холодному стеклу, но если рука держать его на расстоянии нескольких дюймов от стекла, теплопроводность будет низкой, поскольку воздух проводит тепло. Стационарная проводимость - это идеализированная модель проводимости, которая возникает, когда возникает разность температур, управляющая проводимость, постоянна, так что по прошествии времени пространственное распределение температуры в проводящем объекте больше не изменяется (см. закон Фурье ). В установившемся режиме теплопроводности количество тепла, поступающего в секцию, равно количеству выходящего тепла, благодаря изменению температуры (мера тепловой энергии) равно нулю. Внутренняя теплопроводность является поток тепла через стены теплого дома в холодный день: внутри дома высокая температура, снаружи температура остается низкой, поэтому передача тепла в единицу времени остается около постоянной скорости, устанавливаемой изоляцией в стенах. постоянным во времени.

Переходная проводимость (см. Уравнение теплопроводности ), когда температура внутри объекта используется как функция времени. Анализ переходных систем более сложный, аналитические решения уравнения теплопроводности действительны только для идеализированных модельных систем. Практические приложения обычно исследуются с использованием численных методов, методов аппроксимации или эмпирических исследований.

Конвекция

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

Конвективная теплопередача, или конвекция, - это передача тепла из одного места в другое за счет движения жидкостей, процесс, который по сути является передачей тепла посредством массопереноса.. Массовое движение жидкости улучшает теплопередачу во многих ситуациях, таких как (например) между твердой поверхностью и жидкостью. Конвекция обычно доминирующей формы теплопередачи в жидкостях и газах. Хотя иногда его называют третьим методом теплопередачи, конвекция обычно используется для описания комбинированных эффектов теплопроводности в жидкости (диффузия) и теплопередачи за счет потокового потока объемной жидкости. 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 жидкости, где перенос за счет адвекции в жидкости всегда сопровождается переносом за счет диффузии тепла (также как теплопроводность), процесс тепловой конвекции понимается как сумма переноса тепла за счет 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 колебаний температуры в жидкости. Принудительная конвекция - это искусственно индуцированный конвекционный ток, когда потоки и токи в жидкости индуцируют такие средства, как вентиляторы, мешалки и насосы, которые вызывают искусственно индуцированный конвекционный ток.

Конвекционное охлаждение

Конвективное охлаждение иногда описывается как закон охлаждения Ньютона :

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

Однако по определению справедливости закона Ньютона Закон требует, чтобы скорость потери тепла из-за конвективной линейной функции («пропорциональной») разности температуры управляла теплопередачей, а при конвективном охлаждении это иногда не так. В общем, конвекция не зависит от линейно температурных градиентов, а в некоторых случаях сильно нелинейна. В этих случаях закон Ньютона не применяется.

Конвекция против проводимости

В тележидкости, которая нагревается из-под своего сосуда, проводимость и конвекция могут рассматриваться 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 плавучесть при вождении уменьшится. С другой стороны, если теплопроводность очень низкая, может образоваться большой температурный градиент и конвекция может быть очень сильной.

Число Рэлея (R a {\ displaystyle {\ rm {Ra}}}{\ displaystyle {\ rm {Ra}}} ) - это произведение Грасгофа (G числа r { \ displaystyle {\ rm {Gr}}}{\ displaystyle {\ rm {Gr}}} ) и Прандтля (P r {\ displaystyle {\ rm {Pr}}}{\ displaystyle {\ rm {Pr}}} ). Это мера, которая определяет относительную силу проводимости и конвекции.

р a знак равно г р ⋅ п р знак равно г Δ ρ L 3 μ α знак равно г β Δ TL 3 ν α {\ displaystyle \ mathrm {Ra} = \ mathrm {Gr} \ cdot \ mathrm {Pr} = { \ frac {g \ Delta \ rho L ^ {3}} {\ mu \ alpha}} = {\ frac {g \ beta \ Delta TL ^ {3}} {\ nu \ alpha}}}{\ displaystyle \ mathrm {Ra} = \ mathrm {Gr} \ cdot \ mathrm {Pr} = {\ frac {g \ Delta \ rho L ^ {3}} {\ mu \ alpha}} = {\ гидроразрыва {g \ beta \ Delta TL ^ {3}} {\ nu \ alpha}}}

где

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

Сила плавучести, вызывающая конвекцию, составляет примерно г Δ ρ L 3 {\ displaystyle g \ Delta \ rho L ^ {3}}g \ Delta \ rho L ^ 3 , поэтому соответствующее давление примерно г Δ ρ L {\ Displaystyle g \ Delta \ rho L}g \ Delta \ rho L . В установившемся режиме это компенсируется напряжением сдвига из-за вязкости, и поэтому примерно равно μ V / L = μ / T усл {\ displaystyle \ mu V / L = \ mu / T_ {\ rm {conv}}}{\ displaystyle \ mu V / L = \ mu / T _ {\ rm {conv}}} , где V - типичная скорость жидкости из-за конвекции, а T conv {\ displaystyle T _ {\ rm {conv}}}{\ displaystyle Т _ {\ rm {conv}}} порядок его шкалы времени. С другой стороны, шкала времени проводимости имеет порядок T cond = L 2 / α {\ displaystyle T _ {\ rm {cond}} = L ^ {2} / \ alpha}{\ Displaystyle T _ {\ rm {cond}} = L ^ {2} / \ alpha} .

Возникает конвекция когда число Рэлея больше 1 000–2 000.

Излучение

Раскаленный железный объект, передающий тепло в мире посредством теплового излучения

Тепловое излучение происходит через вакуум или любой прозрачный среда (твердое тело или жидкость или газ ). Это передача энергии с помощью фотонов в электромагнитных волн, подчиняющихся тем же законам.

Тепловое излучение - это энергия, излучаемая веществом в виде электромагнитных волн из-за бассейн Тепловая энергия во всем веществе с температурой выше абсолютного нуля. Тепловое распространение без присутствия материи через вакуум космоса.

Тепловое излучение является прямым результатом случайных движений и молекул в веществе. Эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц (протонов и электронов ), их приводит к испусканию электромагнитного движения, которое уносит энергию от поверхности.

Уравнение Стефана-Больцмана, которое имеет следующую скорость передачи лучистой энергии, выглядит следующим образом для объекта в вакууме:

ϕ q = ϵ σ T 4. {\ displaystyle \ phi _ { q} = \ epsilon \ sigma T ^ {4}.}{\ Displaystyle \ phi _ {q} = \ epsilon \ sigma T ^ {4}.}

Для переноса излучения между двумя объектами уравнение выглядит следующим образом:

ϕ q = ϵ σ F (T a 4 - T b 4), {\ displaystyle \ phi _ {q} = \ epsilon \ sigma F (T_ {a} ^ {4} -T_ {b} ^ {4}),}{\ Displaystyle \ phi _ {q} = \ epsilon \ sigma F (T_ {a} ^ {4} -T_ {b} ^ {4}),}

где

Радиация обычно важна только для очень горячих объектов или объектов с большой разницей температур.

Солнечное излучение или солнечное излучение можно использовать для получения тепла и энергии. В отличие от кондуктивных и конвективных формы 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, что используется в концентрации солнечной энергии генерации или горящее стекло. Например, солнечный свет, отраженный от зеркал, нагревает солнечную электростанцию ​​PS10, а в течение дня она может нагревать воду до 285 ° C (545 ° F).

Достижимая температура на цели ограничивается температурой горячего источника излучения. (Т-закон позволяет обратному потоку излучения обратно к источнику подниматься.) Горячее (на его поверхности) около 4000 К солнце позволяет достичь примерно 3000 К (или 3000 ° C, что составляет примерно 3273 K) на маленьком зонде в фокусе большого вогнутого концентрирующего зеркала Солнечной печи Мон-Луи во Франции.

Фазовый переход

Молния - хорошо видимый форма передачи энергии и является примером плазмы, присутствующей на поверхности Земли. Обычно молния разряжает 30 000 ампер при напряжении до 100 миллионов вольт и излучает свет, радиоволны, рентгеновские лучи и даже гамма-лучи. Температура плазмы при молнии может достигать 28 000 кельвинов (27 726,85 ° C) (49 940,33 ° F), а плотность электронов может превышать 10 м.

Фазовый переход или фазовый переход, имеет место в термодинамической системе из одной фазы или состояния вещества в другое за счет теплопередачи. Примеры фазового перехода - таяние льда или кипение воды. Уравнение Мэйсона объясняет рост капли воды на основе эффектов переноса тепла на испарение и конденсацию.

Фазовые переходы включают четыре основных состояния вещества :

Кипение

Ячеистое кипение воды.

Точка кипения вещества - это температура, при которой давление пара жидкости равно давлению, окружающему жидкость и жидкость испаряется, что приводит к резкому изменению объема пара.

В закрытой системе температура насыщения и точка кипения означают одно и то же.Температура насыщения - это температура для соответствующего давления насыщения, при которой жидкость переходит в свою паровую фазу. Можно сказать, что жидкость насыщена тепловая энергия. Любое добавление тепловой энергии приводит к фазовому переходу.

При стандартном атмосферном атмосферном давлении и низкие температурых кипения не происходит, а скорость теплопередачи регулируется обычными однофазными механизмами. По мере увеличения температуры происходит локальное кипение, пузырьки пара зарождаются, прорастают в 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 поверхности (это отклонение от пузырькового кипения, или DNB).

При аналогичном стандартном атмосферном давлении и давлении высокая температурах достигается гидродинамически более тихий режим пленочного кипения. Тепловые потоки через стабильные паровые слои низкие, но медленно растут с температурой. Любой контакт между жидкостью и поверхностью, который можно увидеть, является показателем к чрезвычайно быстрому зарождению нового слоя пара («спонтанное зарождение »). 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, возникает теплопроводность газовой фазы намного ниже теплопроводности жидкой фазы, поэтому возникает проблема своего рода «газовый тепловой барьер».

Конденсация

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

Типы типов конденсации:

  • Гомогенная 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 когда жидкость пленка образует на переохлажденной поверхности и обычно возникает, когда жидкость смачивает поверхность.
    • Капельная конденсация - это когда на переохлажденной поверхности образуются капли жидкости, и обычно происходит, когда жидкость не смачивает поверхность.
Трудно надёжно поддерживать капельную конденсацию; поэтому промышленное оборудование обычно проектируется для работы в режиме пленочной конденсации.

Таяние

Таяние льда

Таяние - это термический процесс, который приводит к фазовому переходу вещества из твердого в жидкость. внутренняя энергия или большее, обычно под воздействием тепла, приводит к повышению его температуры до точки плавления, при которой упорядочение ионных или молекулярных объектов в твердом веществе распадается до менее упорядоченного состояния, и твердое вещество превращается в жидкость. Расплавленные обычно имеют пониженную вязкость при повышенной температуре; Исключением из этого максимума является элемент сера, вязкость которого увеличивается до определенного значения из-за полимеризации, а уменьшение с повышением температуры в расплавленном состоянии.

Подходы к моделированию

Теплообмен можно моделировать способами.

Уравнение теплопроводности

уравнение теплопроводности является важным уравнением в частных производственных, которое имеет распределение тепла (или изменение температуры) в заданном регионе с течением времени. В некоторых случаях доступны точные решения уравнения; в других случаях должно быть решено численно с использованием вычислительных методов, таких как модели на основе ЦМР для тепловых систем / систем с реагирующими частями (в соответствии с критическим обзором Peng et al.).

Сосредоточенный анализ системы

Сосредоточенный анализ системы часто сводного уравнения к одному линейному дифференциальному уравнению первого порядка закон охлаждения Ньютона.

Системный анализ с помощью модели сосредоточенной емкости - это обычное приближение в переходной проводимости, когда теплопроводность внутри объекта намного быстрее, чем теплопроводность через граница объекта. Это метод приближения, 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 вычисляется отношение сопротивления теплопроводности внутри объекта к сопротивлению конвективной теплопередаче на границе объекта, известное как число Био. Для малых чисел 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

Модели климата

Модели климата изучают лучистую теплопередачу, используя количественные методы для моделирования взаимодействия атмосферы, океанов, поверхности суши и лед.

Инженерное дело

Тепловое воздействие как часть огнестойких испытаний огнестойких продуктов

Теплопередача имеет широкое применение для функционирования устройств и систем. Принципы теплопередачи другая установка, установка или понижения температуры в самых разных обстоятельствах. Методы теплопередачи используются во многих областях, таких как автомобилестроение, терморегулирование электронных устройств и систем, климат-контроль, изоляция, обработка материалов и электростанция инженерия.

Изоляция, сияние и сопротивление

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

Яркость или спектральная яркость - это мера количества излучения, которое проходит или 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 радиационного 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 длине волны отражательная способность = 1 - коэффициент излучения. Идеальный излучающий барьер имел бы коэффициент отражения, равный 1, и, следовательно, отражал бы 100 процентов входящего излучения. термосы, или сосуды Дьюара, посеребренные, чтобы приблизиться к этому идеалу. В космическом вакууме спутники используют многослойную изоляцию, которая состоит из множества слоев алюминизированного (блестящего) майлара, чтобы снизить радиационную теплопередачу и контролировать температуру спутника.

Устройство

Схема потока энергии в тепловом двигателе.

A Тепловой двигатель - это система, которая осуществляет преобразование потока Тепловая энергия (тепла) в механическая энергия для выполнения механической работы.

A термопара представляет собой устройство для измерения температуры и широко используемый датчик температуры для преобразования тепла в электрическую энергию.

A термоэлектрический охладитель - это твердотельное электронное устройство, которое перекачивает (передает) от одной стороны устройства к другому, когда через него проходит электрический ток. Он основан на эффекте Пельтье,.

A тепловом диоде или тепловом выпрямителе - устройстве, которое заставляет тепло течь преимущественно в одном направлении.

Теплообменники

A теплообменник используется для более эффективной передачи тепла или для рассеивания тепла. Теплообменники широко используются в охлаждении, кондиционировании воздуха, обогреве помещений, производстве электроэнергии и химической обработке. Один из распространенных примеров теплообменника является радиатор автомобиля, в котором горячая охлаждающая жидкость охлаждается потоком воздуха, проходящего через поверхность радиатора.

Общие типы теплообменника включают параллельные поток, противоток и поперечный 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 прямыми углами друг к другу. К распространенным типам теплообменников между кожухотрубный, двухтрубный, экструдированная оребренная труба, спирально-оребренная труба, U-образная труба и многослойная пластина. Каждый тип имеет преимущества и недостатки по сравнению с другими типами.

A радиатор - это компонент, передает тепло, генерируемый в твердом материале, текучей среде, такой как воздух или жидкость. Примерами радиаторов являются теплообменники, используемые в системах охлаждения и кондиционирования воздуха, или радиаторы в автомобиле. тепловая трубка - еще одно устройство теплопередачи, которое сочетает в себе теплопроводность и фазовый переход для эффективной передачи тепла между двумя твердыми поверхностями.

Приложения

Архитектура

Эффективное использование энергии - это цель уменьшения количества энергии, необходимой для обогрева или охлаждения. В окружающей среде конденсация и воздушные потоки могут вызвать косметические или структурные повреждения. энергоаудит может помочь выполнить выполнение рекомендуемых корректирующих процедур. Например, улучшение изоляции, герметизация структурных протечек или установка энергоэффективных окон и дверей.

  • Интеллектуальный счетчик - это устройство, которое регистрирует потребление электроэнергии через промежутки времени.
  • Коэффициент теплопередачи равенство скорости передачи тепла через конструкцию, деленную на разницу температур внутри конструкции. Он выражается в ваттах на квадратный метр на кельвин или Вт / (м · К). Хорошо изолированные части здания имеют низкий коэффициент теплопередачи.
  • Термостат - это устройство для мониторинга и контроля температуры.

Климатическая техника

Пример применения в климатической инженерии включает создание Biochar посредством процесса пиролиза. Таким образом, хранение парниковых газов снижает радиационную способность атмосферы, вызывая более длинноволновое (инфракрасное ) излучение в космос.

Климатическая инженерия состоит из углекислого газа. удаление и управление солнечным излучением. Количество диоксида углерода определяет радиационный баланс атмосферы Земли, для уменьшения радиационного воздействия используются методы удаления диоксида углерода. Управление солнечной радиацией - это попытка поглощения меньшего количества солнечной радиации для компенсации воздействия парниковых газов.

Парниковый эффект

Представление обмена энергией между источником (Солнце ), поверхность Земли, атмосфера Земли и конечный сток космическое пространство. Способность атмосферы улавливать и повторно использовать энергию, излучаемую поверхностью Земли, является определяющей характеристикой парникового эффекта.

Парниковый эффект - это процесс, при котором тепловое излучение от поверхности планеты поглощается атмосферные парниковые газы и повторно излучаются во всех направлениях. Поскольку часть этого переизлучения возвращается к поверхности и нижним слоям атмосферы, это приводит к повышению средней температуры поверхности выше, чем она была бы в отсутствие газов.

Теплопередача в человеческом теле

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. Человеческое тело должно поддерживать постоянную внутреннюю температуру, чтобы поддерживать здоровые функции 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 осуществляется за счет движения 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. 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, если надето недостаточно покрытия, когда он находится в холодной среде. Одежду можно рассматривать как изолятор, который обеспечивает тепловое сопротивление потоку тепла по покрытой части тела. 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 приводит к более низкой скорости теплопередачи, чем если бы не была покрыта кожа.

Чтобы одна часть тела не была значительно горячее, чем другая часть, должна равномерно распределяться по тканям тела. Кровь, текущая по кровеносным сосудам, предотвращает 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 среды, диаметром кровеносного сосуда, толщиной жидкости ткани, скоростью потока и коэффициентом теплопередачи крови. Скорость, диаметр кровеносных сосудов и толщина жидкости могут быть связаны с числом Рейнольдса, безразмерным числом, используемым в механике жидкости для характеристик потока жидкости.

Скрытая потеря тепла, также известная как потеря тепла при испарении, составляет значительную часть потерь тепла от тела. Когда внутренняя температура увеличивается, тело запускает работу потовых желез на коже, чтобы обеспечить дополнительную влажность поверхности кожи. Затем жидкость превращается в пар, который отводит тепло от поверхности тела. Скорость потери тепла за счет испарения напрямую связана с давлением пара на поверхности кожи и руководящей, присутствующей на коже. Поэтому максимум теплопередачи будет, когда кожа полностью влажная. Тело cont теряет воду за счет испарения, но наиболее значительная потеря тепла происходит в периоды повышенной физической активности.

Методы охлаждения

Испарительное охлаждение

Традиционный воздухоохладитель в Мирзапур, Уттар-Прадеш, Индия

Испарительное охлаждение происходит, когда водяной пар попадает в окружающий воздух. Энергия, необходимая для испарения воды, берется из воздуха в виде явного тепла и преобразуется в скрытое тепло, в то время как воздух остается с постоянной энтальпией. Скрытая теплота 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. Когда температура одинакова, чистого испарения воды из воздуха не происходит; таким образом, отсутствует охлаждающий эффект.

Лазерное охлаждение

В квантовой физике, лазерное охлаждение используется для достижения температур, близких к абсолютному нулю (-273, 15 ° C, -459,67 ° F) атомных и молекулярных образцов, чтобы обнаруживать уникальные квантовые эффекты, которые могут возникнуть только при таком 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 непосредственно охлаждать лазером, используются для охлаждения близлежащих источников или элементов. Этот метод позволяет охлаждать ионы и атомы, которые не могут быть охлаждены лазером напрямую.

Магнитное охлаждение

Магнитное испарительное охлаждение - это процесс понижения температуры группы элементов 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 из-за 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 сбалансировать поглощение коротковолновой (видимой) энергии Солнца. Термосфера (верхняя часть атмосферы) охлаждается в космос в первую очередь за счет инфракрасной энергии, излучаемой диоксидом углерода (CO2) при длине волны 15 мкм и оксидом азота (NO) при длине волны 5,3 мкм. поверхность и перераспределить ее в атмосфере.

Накопитель тепловой энергии

Накопитель тепловой энергии включает технологии сбора и хранения энергии для дальнейшего 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 включает отопление помещений, бытовые или технологические системы горячего водоснабжения или выработку электроэнергии.

См.

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Теплопередача.
Последняя правка сделана 2021-05-23 04:38:59
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте