Теплопередача

Сложный теплообмен. Рассмотренные виды теплообмена на практике по отдельности встречаются редко. Как правило, теплообмен протекает одновременно посредством двух, а чаще трех видов теплообмена. Такой теплообмен называется сложным.

Часто приходится рассчитывать стационарный процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку (рис. 3.13). Такой процесс называется теплопередачей.

Рис. 3.13. Теплопередача через однослойную (а), многослойную (б)и цилиндрическую (в)стенки

Процесс передачи теплоты от греющей жидкости с температурой t₁к нагреваемой с температурой t₂в этом случае складывается из следующих процессов:

теплообмена между греющей жидкостью и стенкой;

передачи теплоты через стенку за счет теплопроводности;

теплообмена между стенкой и нагреваемой жидкостью.

При установившемся тепловом состоянии тепловые потоки: от греющей жидкости к стенке, поток, прошедший через стенку, и, наконец, поток от стенки к нагреваемой жидкости — одинаковы.

Поэтому для плотности теплового потока можно записать:

откуда получим

где К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К); Dt — температурный напор,

Коэффициент теплопередачи характеризует интенсивность процесса теплопередачи от одного теплоносителя к другому через разделяющую их плоскую стенку.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется общим термическим сопротивлением теплопередачи:

Из этого уравнения следует, что общее термическое сопротивление складывается из частных термических сопротивлений. К ним относятся: 1/α₁ и 1/α₂ – внешние термические сопротивления теплоотдачи соответственно от горячей жидкости к стенке и от поверхности стенки к холодной жидкости; d/l – внутреннее термическое сопротивление теплопроводности стенки.

В случае многослойной плоской стенки (см. рис. 3.13,б)формула (3.21) имеет вид

или

Общее количество теплоты Q, Вт, переданное через одно- или многослойную плоскую стенку поверхностью F, м²:

Коэффициенты теплоотдачи α₁ и α₂ входят в состав коэффициента теплопередачи, следует четко видеть разницу между этими понятиями.

Формулы (3.22) и (3.23) широко применяют на практике, ими пользуются при расчете теплообменных аппаратов.

При теплопередаче через тонкие металлические стенки величина d/l принимается равной нулю, тогда формула (3.21) приобретает вид

В случае цилиндрической стенки (см. рис, 3.13,в)уравнение теплового потока, отнесенного к 1 м длины трубы, имеет вид

где K_l — линейный (т. е. отнесенный к 1 м длины трубы) коэффициент теплопередачи, Вт/(м×К),

Величину, обратную K_l т.е. R_l =1/K_l называют линейным термическим сопротивлением. В случае многослойной стенки расчетная формула для R_l,(м×К)/Вт, имеет вид

Если передача теплоты от жидкости (газа) к стенке осуществляется как за счет теплоотдачи конвекцией, так и излучением (топки котлов, камеры сгорания двигателей и пр.), то суммарная плотность теплового потока от жидкости к стенке имеет вид

где q_к, q_л ~ конвективная и лучистая составляющие плотности теплового потока; α^*₁ = α₁+ α_и.

Условный коэффициент теплоотдачи α_и, Вт/(м²×К), характеризующий передачу теплоты от жидкости к стенке излучением, определяется по формуле

Теплопередача через ребристую стенку.Оребренные поверхности используются для интенсификации теплообмена. С помощью ребер увеличивается поверхность нагрева (рис. 3.14).

Ребристые поверхности широко применяют в теплообменных аппаратах для интенсификации теплопередачи, где коэффициент теплоотдачи мал; с помощью ребер увеличивается поверхность нагрева.

Рис. 3.14. Схема теплопередачи через ребристую стенку

В связи с тем, что поверхность теплообмена с обеих сторон рассматриваемой стенки неодинакова, расчет величин K и q можно выполнять для единицы гладкой или сребренной поверхности.

Отношение площади оребрения к площади гладкой стенки называется коэффициентом оребрения т = F₂/F_1.

В этом случае коэффициент теплопередачи гладкой поверхности стенки

для оребренной поверхности

Ребристые поверхности широко применяют в теплообменных аппаратах для интенсификации теплопередачи, где коэффициент теплоотдачи мал; с помощью ребер увеличивается поверхность нагрева.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается процесс теплообмена и какова его физическая сущность? Перечислите виды теплообмена.

2. Объясните процесс теплопроводности и напишите общую формулу теплопроводности в дифференциальной форме.

3. В чем заключаются сущность конвективного теплообмена и метод решения с помощью теории подобия и критериев подобия?

4. Какие существуют частные случаи естественной и вынужденной конвекции и принципы определения коэффициента теплоотдачи?

5. Опишите физические процессы теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества (кипение и конденсация).

6. Назовите основные законы лучистого теплообмена.

7. Как происходит теплообмен излучением между двумя телами?

8. Назовите особенности излучения газов.

9. Опишите физическую сущность сложного теплообмена или теплопередачи от одного теплоносителя к другому.

10. Как осуществляется процесс интенсификации теплообмена?