ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Теплопередача является физическим процессом обмена теплом через разделяющую стенку между средами, имеющими разную тем­пературу. Этот сложный процесс складывается из трех элементар­ных видов обмена теплом: теплопроводности, конвекции и излучения.

В простейшей форме эти виды обмена теплом могут быть охарактеризованы следующим образом.

Теплопроводность

В случае когда передача тепла происходит в стационарных условиях (неизменных во времени) через плоскую однородную стенку (рис. 1.3, а) в направлении, перпендикулярном ее поверхности (одномерное температурное поле), уравнение теплопроводности можно записать в виде:

Q_Т = (t₁- t₂)·F, (1.2)

где Q_Т — тепловой поток, Вт;

λ - коэффициент теплопроводности (теплопроводность), измеряемый в Вт/(м·^оС) = Вт/(м·К)

δ — толщина стенки, м;

t₁ и t₂ - температуры наее поверхностях, °С;

F — площадь поверхности стенки, м².

Конвективный теплообмен — это перенос тепла в жидкостях или газах, перемещающимися частицами.

Благодаря конвекции происходит обмен теплом между поверхностью твердого тела и омывающим эту поверхность воздухом (рис. 1.3, б).

Конвективный теплообмен определяется законом Ньютона, согласно которому тепловой поток Q_К, Вт, передаваемый конвекцией, равен:

Q_к =α_к (t₁- t₂)·F, (1.3)

где α_к – коэффициент конвективного теплообмена на поверхности, Вт/(м²·^оС);

t₁ и t₂ температуры поверхности и воздуха, °С.

F₁ –площадь поверхности, м²

Лучистый теплообмен происходит при помощи электромагнитных волн между телами, разделенными лучепрозрачной средой (рис. 1.3, в). Тепловая энергия, превращаясь на поверхности тела в лучистую энергию, передается через лучепрозрачную среду (воздух) на поверхность другого тела, где вновь превращается в тепловую (см. рис.1.3 в).

Q_л =α_л (t₁- t₂)·F₁, (1.5)

где α_л — коэффициент лучистого теплообмена на поверхности, Вт/(м²·^оС);

t₁ и t₂— температуры поверхностей, между которыми происходит теплообмен, °С.

F₁ –площадь поверхности, м².

По отдельности рассмотренные виды обмена теплом практически не встречаются. Обычно они сопутствуют друг другу, при этом их целесообразно рассматривать в совокупности как одно целое. Этот единый процесс передачи тепла от одной среды к другой (рис. 1.3, г) называют теплопередачей. Математическая формула для расчета теплопередачи имеет вид:

Q =К (t₁- t₂)·F (1.6)

где Q — тепловой поток, Вт, передаваемый от среды, имеющей температуру t₁, к среде, имеющей температуру t₂;

К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·^оС).

Во всех рассмотренных случаях теплообмен выражается математическими зависимостями, в которых тепловой поток пропорционален соответствующей разности температур в первой степени. Множители пропорциональности в этих зависимостях служат показателями проводимости тепла — λ/δ, α_к, α_л, К соответственно в формулах (1.2), (1.3), (1.5), (1.6).

При рассмотрении переносов тепла часто оказывается удобным пользоваться не показателями проводимости тепла, а обратными величинами — сопротивлениями обмену теплом. Термические сопротивления обычно обозначаются буквой R с соответствующими индексами. В рассмотренных случаях сопротивлением теплопроводности будет величина R_T = δ/λ, сопротивлениями конвективному и лучистому теплообменам — величины

R_K = 1/ α_к и R_л = 1/ α_л, сопротивлением теплопередаче — R = 1/К.

Когда термические сопротивления R_i расположены последовательно по направлению движения потока тепла (рис. 1.4, в), общее сопротивление R равно их сумме:

R= Σ R_i (1.8)

Если сопротивления расположены параллельно относительно проходящего через них потока тепла (рис. 1.4, б), то общая проводимость такой системы 1/R равна сумме параллельно расположенных проводимостей 1/ R_i

(1.9)