Wymiana ciepła napędzana różnicami temperatur: Zastosowania i rozróżnienia w termodynamice inżynieryjnej i wymianie ciepła

W niezliczonych światach, w których żyjemy, nieustannie zachodzą różne procesy, a jednym z procesów fizycznych najściślej związanych z przetrwaniem człowieka jest transfer energii cieplnej. Od centralnej klimatyzacji w nowoczesnych budynkach po powstawanie naturalnych zjawisk pogodowych, takich jak mróz, deszcz i śnieg, od wyzwań związanych z ochroną termiczną statków kosmicznych ponownie wchodzących w atmosferę po skuteczne chłodzenie urządzeń elektronicznych, od sezonowych zmian w odzieży ludzi po zamrażanie żywności, wszystkie są ściśle związane z procesem wymiany ciepła.

Badania nad przenoszeniem ciepła to dyscyplina, która bada prawa transferu ciepła lub energii spowodowane różnicami temperatur. Druga zasada termodynamiki mówi: wszędzie tam, gdzie występuje różnica temperatur, ciepło naturalnie przenosi się z obiektu o wyższej temperaturze do obiektu o niższej temperaturze. To przenoszone ciepło jest często określane jako energia cieplna.

Różnice temperatur występują wszędzie w przyrodzie i w różnych dziedzinach technologii produkcji, co sprawia, że wymiana ciepła jest bardzo powszechnym zjawiskiem fizycznym. Na przykład, wiatry w przyrodzie są spowodowane różnicami temperatur między dwoma miejscami, powodując przepływ powietrza z obszaru o wyższej temperaturze do obszaru o niższej temperaturze, na co dodatkowo wpływa ruch obrotowy Ziemi, tworząc wiatr. Prądy oceaniczne i tajfuny są również spowodowane różnicami temperatur prowadzącymi do ruchu wody lub powietrza. W produkcji przemysłowej wykorzystanie rur grzewczych z włókna węglowego do ogrzewania produktów wiąże się również z przenoszeniem ciepła z rur grzewczych do ogrzewanego materiału, co jest kolejnym procesem wymiany ciepła.

Tak zwane prawa wymiany ciepła odnoszą się przede wszystkim do ilości ciepła przenoszonego w jednostce czasu do odpowiedniej różnicy temperatur wewnątrz obiektu. Relacja pierwszego poziomu, która odzwierciedla to prawo, staje się równaniem szybkości wymiany ciepła. W kolejnych artykułach omówię równania szybkości trzech podstawowych sposobów wymiany ciepła w pewnych uproszczonych warunkach. Głębszym poziomem badań jest znalezienie rozkładu temperatury w różnych punktach obiektu w różnych warunkach.

Badania wymiany ciepła i termodynamika inżynierska to dyscypliny związane ze zjawiskami termicznymi. W chińskim sektorze edukacji inżynierskiej te dwa kursy są zbiorczo określane jako kursy inżynierii cieplnej. Podstawową różnicę między tymi dwoma dziedzinami nauki można wyjaśnić w następujący sposób: Termodynamika inżynieryjna bada systemy w stanie równowagi, w których nie występują różnice temperatur ani różnice ciśnień, podczas gdy wymiana ciepła bada dokładnie odwrotne zjawiska, prawa wymiany ciepła obejmujące różnice temperatur. Dla przykładu, rozważmy proces chłodzenia wlewka stalowego z 1000°C w kąpieli olejowej do 100°C. Termodynamika bada ciepło utracone na kilogram wlewka stalowego podczas tego procesu chłodzenia oraz ciepło pochłonięte przez kąpiel olejową, ale termodynamika nie może nam powiedzieć, ile czasu zajmuje temu układowi temperatur osiągnięcie równowagi. Czas ten zależy od temperatury kąpieli olejowej, ruchu oleju, właściwości fizycznych oleju itp., które są dokładnie tym, co bada transfer ciepła.

Ponadto, ze względu na fundamentalną różnicę wspomnianą powyżej, istnieje rozróżnienie w parametrach fizycznych stosowanych w termodynamice i wymianie ciepła: w termodynamice wielkości fizyczne nie obejmują czasu, podczas gdy w wymianie ciepła główne wielkości fizyczne są określane w czasie, tj. wymiana ciepła jest bardziej zainteresowana tym, ile energii cieplnej można przenieść na jednostkę czasu. Z drugiej strony, badania wymiany ciepła są ściśle związane z termodynamiką inżynierską: analiza każdego procesu wymiany ciepła musi wykorzystywać pierwsze prawo termodynamiki, tj. prawo zachowania energii. Pierwsza zasada termodynamiki może być stosowana zarówno w systemach zamkniętych, jak i otwartych, przy czym każdy rodzaj systemu ma zarówno stany ustalone, jak i nieustalone. Z punktu widzenia wymiany ciepła, tak zwany proces w stanie ustalonym to taki, w którym temperatura w każdym punkcie systemu nie zmienia się w czasie, podczas gdy w procesie w stanie nieustalonym temperatury w każdym punkcie zmieniają się w czasie.

W przyszłych dyskusjach na temat przewodzenia ciepła w ciałach stałych wykorzystamy pierwszą zasadę termodynamiki dla systemów zamkniętych, podczas gdy badanie konwekcyjnego przenoszenia ciepła wymaga zastosowania systemów otwartych. Co więcej, gdy energia cieplna jest przenoszona z jednego medium do drugiego, zasada zachowania energii musi być również stosowana na styku dwóch mediów, takich jak wspomniany proces chłodzenia wlewka stalowego w kąpieli olejowej, na styku ciała stałego i cieczy, niezależnie od tego, czy proces wymiany ciepła jest stały czy niestały, uważamy, że ciepło przenoszone z ciała stałego do cieczy i ciepło pochłaniane przez ciecz z ciała stałego są równe w danym momencie. Pojęcia bilansu energetycznego i bilansu cieplnego, o których mowa w fizyce w szkole średniej, są w rzeczywistości prostymi określeniami pierwszej zasady termodynamiki.

Zaawansowane i wydajne rozwiązania grzewcze wykorzystujące Rury grzewcze z włókna węglowego które wykorzystują zasady wymiany ciepła, warto rozważyć Global Quartz Tube, lidera w dziedzinie technologii termicznej. Odwiedź naszą stronę strona internetowa lub skontaktuj się z nami poprzez e-mail pod adresem kontakt@globalquartztube.com więcej informacji.