Сложный теплообмен. В тепловых процессах в большинстве случаев распространение тепла осуществляется одновременно теплопроводностью

В тепловых процессах в большинстве случаев распространение тепла осуществляется одновременно теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Такой вид процесса, как было сказано выше, называется сложным теплообменом.

Передача тепла одновременно конвекцией и тепловым излучением является одним из важнейших процессов теплообмена.

Для установившегося процесса количество тепла, отдаваемое стенкой за счет теплопроводности, составляет

,

а за счет теплового излучения

.

Если ввести обозначение для коэффициента теплоотдачи излучением

,

количество тепла, отдаваемое стенкой за счет теплового излучения, составит

.

Тогда общее количество тепла, отдаваемое стенкой, равно:

или

,

где - приведенный коэффициент теплоотдачи, учитывающий одновременно конвективный теплообмен и теплообмен излучением.

Теплопередача, как было сказано выше, также относится к сложным видам теплообмена между теплоносителями через разделяющую перегородку.

Количество передаваемого тепла определяется основным уравнением теплопередачи

.

В этом уравнении коэффициент теплопередачи является коэффициентом скорости процесса, учитывающим перенос тепла теплоотдачей от теплоносителя к стенке, теплопроводностью через стенку и от стенки теплоотдачей к другому теплоносителю. Коэффициент теплопередачи определяет количество тепла, которое передается от одного теплоносителя к другому через единицу площади разделяющей их стенки в единицу времени при разности температур между теплоносителями в один град.

Рис. 3.6. Характер изменения температур при теплопередаче через плоскую стенку

При установившемся процессе количество тепла, которым обмениваются теплоносители, остается неизменным для процессов теплоотдачи от одного теплоносителя к стенке и от стенки к другому теплоносителю, а также теплопроводности по толщине стенки

;

;

.

После решения этих уравнений относительно разностей температур получим

;

;

.

В результате сложения правых и левых частей уравнение примет вид

,

откуда

.

При сопоставлении последнего уравнения с уравнением теплопередачи получим выражение для коэффициента теплопередачи

.

Величина, обратная коэффициенту скорости, представляет собой сопротивление, называемое термическим сопротивлением теплопередаче. Это сопротивление складывается из суммы термических сопротивлений теплоотдачи со стороны теплоносителей и самой стенки:

.

При расчете термического сопротивления многослойной стенки (например, при наличии загрязнений с той и другой стороны поверхности теплообмена) необходимо учитывать термические сопротивления всех слоев, составляющих стенку:

.

Движущая сила процесса теплопередачи при прямоточном и противоточном движении теплоносителей вычисляется по уравнению

,

где , - наибольшая и наименьшая разности температур между теплоносителями на концах теплообменника, соответственно.

При небольших изменениях температур теплоносителей, когда , среднюю разность температур вычисляют как среднеарифметическую:

.

При перекрестном и смешанном токе теплоносителей среднюю разность температур определяют из формулы для прямоточного и противоточного движения теплоносителей с учетом поправочного коэффициента , определяемого из справочной литературы, т.е.

.