Введение
Теплотехника – область науки и техники, занимающаяся вопросами получения и использования теплоты. Различают два вида использования теплоты – энергетическое и технико-энергетическое использование теплоты основывается на процессах, преобразующих теплоту в механическую работу. Эти процессы изучаются технической термодинамикой. Энергетические устройства, в которых осуществляется преобразование теплоты в работу, называют тепловыми двигателями. К устройствам, в которых подвод теплоты используют для технических целей, относятся различные печи, сушилки, отопительные приборы, калориферы и т. д.
Наука, изучающая закономерности теплообмена между телами, называется теорией теплопередачи. Техническая термодинамика и теория теплопередачи составляют теоретическую часть теплотехнической науки.
Одним из основоположников теплотехники был русский великий учёный М.В. Ломоносов. Его труды, опубликованные в 1740-1750 гг. лежат в основе последующего развития теплотехники. В XVIII и XIX вв. в результате систематических исследований, проводимых русскими учёными, а также учёными западноевропейских стран и Америки, накапливались научные данные, способствовавшие развитию теплотехники как науки. Русские учёные были и остаются пионерами в решении многих проблем теплотехники.
К знаменитому этапу развития техники теплоснабжения относятся разработка и внедрение централизованного способа отопления зданий, при котором несколько помещений или всё здание отапливаются из одного центра. Первая система водяного отопления в России была предложена и осуществлена в 1834 г. инженером П.Г. Соболевским. Пар, впервые использованный в 1745 г. для обогрева оранжерей, получил широкое применение для отопления зданий лишь в XIX в. В России, в отличии от западноевропейских стран, паровое отопление в жилых домах как не отвечающее санитарно-техническим требованиям почти не существовало.
Одним из создателей строительной теплотехники является профессор В.Д. Мачинский. Его книга «Теплотехнические основы гражданского строительства» (1905г.) была первым фундаментальным трудом в этой области.
Теория теплообмена – наука о процессах переноса теплоты. С теплообменом связаны многие явления, наблюдаемые в природе и технике. Ряд важнейших вопросов проектирования и строительства зданий и сооружений решаются на основе теории теплообмена или некоторых её положений. Знание законов теплообмена позволяет инженеру-строителю увязать толщину и материал ограждающих конструкций с отопительными устройствами, разработать новые строительные материалы и конструкции, более экономичные и способные надёжно защищать человек от холода, решить вопросы, которые возникают в процессе развития строительной техники.
При взаимодействии тел, имеющих различную температур, происходит обмен энергией движения частиц (молекул, атомов, свободных электронов), поэтому интенсивность движения частиц тела, имевшего меньшую температуру, увеличивается, а интенсивности движения частиц тела с более высокой температурой уменьшается. Вследствие этого одно из тел нагревается, а другое остывает. Поток энергии, который передается частицами тела с более высокой температурой телу с более низкой температурой принято называть тепловым потоком.
Отсюда следует, что для того, чтобы возник тепловой поток, т.е. возник процесс теплообмена между различными областями пространства, заполненного вещественной средой, необходимо и достаточно, чтобы в этих областях имели место неодинаковые температуры.
Таким образом, если где-либо в пространстве возникла разность температур, энергия переносится из области пространства с высокой температурой в область с низкой температурой. В соответствии с концепциями термодинамики энергия, перенесенная вследствие разности температур, называется теплом. Хотя законы термодинамики также относятся к переносу энергии, они применимы лишь для систем, находящихся в равновесии. Поэтому с их помощью можно рассчитать количество энергии, необходимое для перехода системы из одного состояния в другое, но невозможно определить, какое время займет этот переход. Теория тепломассообмена дополняет первый и второй законы классической термодинамики, предлагая методы, позволяющие найти скорости переноса энергии.
Чтобы нагляднее показать различие в видах информации, полученных с помощью термодинамики и теории тепломассообмена, рассмотрим нагрев стального стержня в горячей воде. Законы термодинамики, с одной стороны, позволяют рассчитывать конечную температуру, после того как две системы достигнут равновесия, и количество энергии, перенесенное при переходе от начального равновесного состояния к конечному, но они не дают возможности определить скорость переноса тепла и температурное поле стержня по истечении заданного промежутка времени или найти, через какое время температура стержня достигнет заданного значения.
С другой стороны, теория тепломассообмена позволяет вычислить скорость переноса тепла от воды к стальному стержню, а затем на основании этой информации рассчитать, как изменяется во времени температура стержня и воды.
Значимость процесса теплообмена как в природе, так и в технике определяется тем, что свойства тел самым существенным образом зависят от их теплового состояния, которое в свою очередь само определяется условиями теплообмена. Эти условия оказывают существенное влияние на процессы изменения состояния вещества, механические, магнитные и другие свойства тел. Именно этим объясняется интенсивное развитие теории теплообмена и то исключительное влияние, которое ей уделяется в энергетике, химической технологии, авиастроении и др.
В вещественной среде перенос тепла связан с тепловым движением составляющих частиц. В то же время, непосредственный перенос определенных порций теплоты может происходить в результате перемещения состоящих из большого количества молекул объемов среды. Для осуществления лучистого теплообмена нет необходимости в наличии промежуточной среды. Теплообмен происходит в этом случае посредством квантов электромагнитного излучения. Таким образом, существуют три способа теплопереноса: теплопроводность (кондукция), конвекция (перемешивание), излучение (радиация). В реальных процессах все три способа обычно сопутствуют друг другу и в ряде случаев связаны с переносом массы (диффузией), т.е. имеет место сложный тепло - и массообмен. В теории тепло - и массообмена расчет теплопередачи происходит при помощи методов, которые обобщают результаты отдельного исследования каждого из трех способов переноса тепла. Таким образом, основным методом теории тепло- и массообмена является разделение сложного теплообмена на его составляющие и изучение этих составляющих методами математической физики и эксперимента.
В некоторых случаях при рассмотрении сложного теплообмена с сильно изменяющимися полями иногда появляются задачи, которые невозможно свести к моделям с отдельными частными процессами теплообмена. Естественно, что в этих случаях понятия коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи лишаются отчетливого смысла. Такие задачи иногда называются сопряженными и их рассмотрение достаточно конкретизировано краевыми условиями.
При рассмотрении процессов тепло - и массообмена чаще рассматриваются области пространства, размеры которых значительны по сравнению с длиной свободного пробега частиц. Поэтому такие статистические понятия, как температура, давление, теплоемкость и др.) приписываются даже таким малым элементам системы, которые с математической точки зрения могут быть рассмотрены как дифференциалы ее объема. Таким образом, в большинстве задач тепло - и массообмена твердые, жидкие и газообразные среды рассматриваются как непрерывные. Исключение делается только для взаимодействия тел с весьма разряженным газом, когда размеры тела становятся по размерам сопоставимыми со средней длиной свободного пробега молекул.
