Сложный теплообмен (теплопередача)

Процесс передачи теплоты от одной среды (теплоносителя) к другой среде (теплоносителю) через разделяющую их стенку называется теплопередачей и состоит из процессов теплоотдачи от горячего теплоносителя к поверхности стенки, передачи теплоты теплопроводностью через многослойную (или однослойную) стенку и процесса теплоотдачи от поверхности стенки к холодному теплоносителю. При установившемся процессе теплопередачи средние температуры горячего и холодного теплоносителей (сред) остаются постоянными вдоль поверхности стенки, а тепловой поток сохраняет неизменное значение (Q = const.).

Расчетная формула стационарного процесса теплопередачи имеет следующий вид:

, (191)

где Q – тепловой поток; k – коэффициент теплопередачи; F – поверхность теплопередачи; = (t_m1 – t_m2) – средний температурный напор (средняя разность температур).

Коэффициент теплопередачи k выражает количество передаваемого количества теплоты в единицу времени через единицу поверхности при температурном напоре равном 1 градусу.

В большинстве случаев при движении теплообменивающих жидкостей вдоль поверхности теплообмена их температуры изменяются. Коэффициент теплопередачи также изменяется по поверхности теплообмена.

Однако во многих случаях можно рассматривать величину коэффициента теплопередачи постоянной по всей поверхности теплообмена, а разность температур между жидкостями принимать средней по поверхности теплообмена.

В этом случае для определения теплового потока имеем

. (192)

Коэффициент теплопередачи имеет очень важное прикладное значение. В зависимости от принятой схемы расчета теплопередачи величина к относится к единице поверхности или длины стенки. Расчетные формулы для определения коэффициента теплопередачи в том или другом случае, а также формулы для определения среднего температурного напора (средней разности температур) рассматриваются ниже.

Теплопередача чрез плоскую стенку,

Рассмотрим процесс передачи теплоты через плоскую стенку поверхностью F, толщиной и коэффициентом теплопроводности , при известных температурах горячего и холодного теплоносителя , а также коэффициентов теплоотдачи от горячего и холодного теплоносителей (рис. 21). Температура на внешних поверхностях стенки неизвестны.

При стационарном температурном поле системы тепловой поток и плотность теплового потока постоянны. Поэтому на основе законов Фурье и Ньютона можно написать:

тепловой поток, передаваемый от горячего теплоносителя к единице поверхности стенки

, (193)

то же самый тепловой поток передается теплопроводностью через стенку

и передается от поверхности стенки к холод-ному теплоносителю

(195)

Решая эти уравнения относительно разности температур, находим:

(196)

Складывая по частям выражения разностей температур и учитывая, что получим выражение для итоговой разности температур

(197)

где – термическое сопротивление теплопередачи плоской стенки (м²К\Bm); ; – термические сопротивления теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя, теплопроводности плоской стенки и термические сопротивления теплоотдачи со стороны холодного теплоносителя соответственно.

Отсюда, следует выражение для плотности теплового потока и теплового потока (уравнение теплопередачи плоской стенки):

(198)

, (198а)

где k=1/R – коэффициентом теплопередачи плоской стенки (Вт/м² К)

(199)

После определения количества передаваемой теплоты (Q, q) по формуле (191) можно найти температуры на поверхностях стенки из выражений разности температур:

; (200)

(201)

термическое сопротивление и следовательно коэффициент теплопередачи определяются с учетом термических сопротивлений каждого слоя

Температура поверхности и на стыке слоев определяется из тех же соображений, что и для однослойной стенки

(203)