Кондуктивный теплообмен в плоской стенке

Тепловые процессы

И аппараты

ТЕПЛООБМЕН

Химические технологические процессы протекают в заданном направлении только при определенных температурах, которые создаются путем подвода или отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы, скорость протекания которых зависит от скорости подвода или отвода теплоты, называются тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур между фазами. Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы, называются теплообменниками, в них тепло переносится теплоносителями.

Расчет теплообменных процессов и аппаратов сводится обычно к определению межфазной поверхности теплообмена. Эта поверхность находится из уравнения теплопередачи в интегральной форме. Коэффициент теплопередачи, как известно, зависит от коэффициентов теплоотдачи фаз, а также от термического сопротивления стенки. Ниже будут рассмотрены способы их определения, нахождение поля температур и тепловых потоков. Там, где это возможно, искомые величины находятся из решения уравнений законов сохранения, а в остальных случаях используются упрощенные математические модели или метод физического моделирования.

Кондуктивный теплообмен в плоской стенке

Рассмотрим теплообмен в неподвижной плоской стенке
из однородного материала, теплофизические свойства которого постоянны
(с_p, l, r = const) (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Распределение температуры в плоской стенке

Общее уравнение нестационарной теплопроводности Фурье имеет вид

(1)

Процесс теплообмена стационарный, тогда . Считаем,
что высота и длина гораздо больше толщины стенки d, следовательно, теплообмен по этим направлениям отсутствует, тогда температура изменяется лишь вдоль одной координаты х, отсюда имеем

Поскольку , имеем

(2)

Очевидным решением этого уравнения является

,

откуда

(3)

Граничные условия:

при ;

при

Находим и , , тогда

. (4)

Распределение T по толщине d

. (5)

Из полученного уравнения (5) видно, что в плоской стенке распределение Т является прямолинейным.

Поток тепла за счет теплопроводности определяется по закону Фурье

; (6)

. (7)

Здесь характеризует тепловую проводимость стенки, а – термическое сопротивление стенки.

Для многослойной стенки термическое сопротивление отдельных стенок необходимо суммировать

. (8)

Определим количество теплоты, передаваемое за время t через площадь F

, (9)

тогда расход тепла определяется как

. (10)

Здесь F – поверхность пластины; t – время.

Однако, приведенные расчетные формулы не всегда достаточны
для практического использования. Как, например, учесть термическое сопротивление стенки при теплопередаче? Большей частью бывает,
что температуры поверхностей Т₁ и Т₂ заранее неизвестны, но зато определены температуры Т_ср1 и Т_ср2 обеих сред, омывающих стенку,
и, кроме того, соответствующие коэффициенты теплоотдачи a₁ и a₂. Тогда для случая теплопередачи расход тепла запишется

.