1.2. Теплопровідність при стаціонарному тепловому режимі

Програма:

Передача теплоти через одношарову і багатошарову плоскі стінки за граничних умов I і III родів. Визначення закону розподілу температури в стінці (температурне поле) і кількості переданої теплоти при постійному і змінному коефіцієнті теплопровідності. Термічні опори і коефіцієнт теплопередачі. Передача теплоти через одношарову і багатошарову циліндричні стінки за граничних умов I і III родів. Лінійний коефіцієнт теплопередачі, щільність теплового потоку, термічні опори. Критичний діаметр циліндричної стінки. Теплова ізоляція. Раціональність вибору матеріалу теплової ізоляції. Передача теплоти через кульову стінку. Теплопередача через складні стінки: з ребрами і з прошарками. Інтенсифікація процесів теплопередачі.

Методичні вказівки:

Теплопровідність в різних безперервно діючих теплообмінних апаратах при тривалих незмінних температурах внутрішнього і зовнішнього середовищ практично не залежить від часу, тобто в цьому випадку процес передачі теплоти є стаціонарним. Тому краєві задачі стаціонарної теплопровідності за граничних умов I і III родів мають велике практичне значення.

У цій темі розглядаються одновимірні стаціонарні задачі для тіл простої геометричної форми – плоскої, циліндричної і кульової стінок. Оскільки в цьому випадку температура є функцією тільки однієї координати, то й розподіл температури в полі описується одновимірним стаціонарним диференційним рівнянням теплопровідності в сукупності з відповідними граничними умовами. При цьому, якщо внутрішні джерела теплоти відсутні ( ), то диференційне рівняння теплопровідності залежно від системи координат (прямокутна, циліндрична, сферична) істотно спрощується.

Для плоскої стінки: ;

для циліндричної стінки: ;

для кульової стінки: .

Слід зазначити, що внутрішні джерела теплоти мають місце тоді, коли усередині тіл протікають процеси з виділенням або поглинанням теплоти. Такі випадки характерні при об'ємному виділенні теплоти в тепловиділяючих елементах ядерних реакторів за рахунок ділення ядер атомного палива, при виділенні теплоти за рахунок проходження електричного струму в провідниках, при виділенні або поглинанні теплоти за рахунок хімічних реакцій і т.п. Приблизно можна вважати, що в топці котла є внутрішні джерела теплоти. Проте, у зв'язку з тим, що в топці котла переважним є променевий теплообмін, ними можна нехтувати.

У даній темі теплопровідність з внутрішніми джерелами теплоти не розглядається. Надалі, в курсі «Теплообмін в ядерних енергетичних установках» це буде надолужено.

В процесі вивчення теми необхідно навчитися інтегрувати диференційні рівняння теплопровідності за граничних умов I і III родів, твердо засвоїти такі поняття як загальний і окремі термічні опори, коефіцієнти тепловіддачі і теплопередачі, відмінності в характері зміни температури в плоскій, циліндричній і кульовій стінках, щільність теплового потоку і тепловий потік, що проходять крізь стінку.

Слід звернути увагу на той факт, що при врахуванні залежності коефіцієнта теплопровідності від температури диференційне рівняння теплопровідності непридатне і виведення рівняння зміни температури в тілі базується безпосередньо на законі Фур’є за умови постійності щільності теплового потоку.

На основі аналізу характеру зміни окремих термічних опорів за радіусом циліндричної стінки слід переконатися в тому, що при критичному її діаметрі загальний термічний опір теплопередачі має мінімальну величину. Теплова ізоляція, яка нанесена на трубопровід, у зв'язку з цим виконуватиме своє призначення тільки в тому випадку, якщо її внутрішній діаметр буде більший критичного. Тобто необхідно підібрати такий ізоляційний матеріал, щоб ця умова дотримувалась.

При розгляді питань інтенсифікації процесу теплопередачі звернути увагу на два принципово відмінних способи, а саме: за рахунок збільшення коефіцієнтів тепловіддачі і за рахунок оребрення поверхонь. Відповідно до першого способу необхідно збільшувати менший з коефіцієнтів тепловіддачі. При цьому коефіцієнт теплопередачі збільшується до тих пір, поки обидва коефіцієнти тепловіддачі не порівняються, після цього збільшення коефіцієнта теплопередачі можливе за рахунок підвищення значення будь-якого з них. Проте слід пам'ятати, що збільшення коефіцієнта тепловіддачі за рахунок підвищення швидкості руху теплоносія приводить до зростання аеродинамічного опору теплообмінного апарату.

Другий спосіб інтенсифікації теплопередачі заснований на тому факті, що термічний опір плоскої стінки визначається тільки коефіцієнтом тепловіддачі, циліндричної стінки - коефіцієнтом тепловіддачі і діаметром, кульової стінки – коефіцієнтом тепловіддачі і діаметром в квадраті. Звідси витікає, що термічний опір тепловіддачі можна зменшити шляхом збільшення поверхні теплообміну за рахунок її оребрення. При цьому ребра слід розміщувати зі сторони меншого значення коефіцієнта тепловіддачі до тих пір, поки обидва термічні опори не порівняються. Слід звернути увагу на те, що коефіцієнти тепловіддачі при установці ребер не збільшуються і основним його призначенням є прагнення до створення компактних теплообмінних апаратів.

Література: [1, гл., п. 2,1–2,6]; [2, гл. 1, п. 1,2–1,4; п. 6,1–6,5].

Питання для самоперевірки:

1. Чи справедливе твердження, що при стаціонарному режимі теплопровідності і постійному значенні щільності теплового потоку температурний напір в плоскій однорідній стінці прямо пропорційний її термічному опору?

2. Чому в плоскій однорідній стінці температура змінюється за лінійним законом?

3. Як зміниться характер розподілу температури в однорідній плоскій стінці, якщо коефіцієнт теплопровідності із зростанням температури: збільшиться, зменшиться, не зміниться?

4. Чи незмінна щільність теплового потоку за товщиною багатошарових плоских стінок при стаціонарному режимі теплопровідності і відсутності внутрішніх джерел теплоти?

5. З якою метою введено еквівалентний коефіцієнт теплопровідності багатошарової плоскої стінки? Від яких параметрів він залежить?

6. Як зв'язані градієнти температур в окремих шарах багатошарової плоскої стінки з їх коефіцієнтами теплопровідності?

7. Як визначити графічним способом температури на межах шарів багатошарової плоскої стінки за граничних умов I роду?

8. Як визначити графічним способом температури на поверхні одношарової плоскої стінки за граничних умов III роду?

9. Чому в циліндричній і кульовій стінках температура змінюється за криволінійним законом?

10. Чи однакові розмірності щільності теплового потоку і лінійної щільності теплового потоку циліндричної стінки?

11. Чи вірно, що термічний опір теплопередачі плоскої стінки залежить тільки від коефіцієнта тепловіддачі, а циліндричної і кульової ні?

12. Чи можна визначити критичний діаметр циліндричної стінки без урахування умов теплообміну її зовнішньої поверхні з навколишнім середовищем?

13. У яких випадках втрати теплоти через циліндричну теплову ізоляцію можуть зростати внаслідок збільшення її товщини при незмінних значеннях температури на внутрішньому її діаметрі, температури навколишнього середовища і коефіцієнта тепловіддачі від зовнішньої поверхні до навколишнього середовища?

14. З якого боку теплообмінної поверхні необхідно збільшувати коефіцієнт тепловіддачі? Чому?

15. Який висновок можна зробити при порівнянні термічних опорів теплопровідності одношарових плоскої, циліндричної і кульової стінок за граничних умов III роду?

16. У якому випадку термічним опором теплопровідності стінки нехтувати не можна?

17. З якою метою застосовується оребрення поверхні теплообміну? Що таке коефіцієнт оребрення?

18. З якого боку поверхні теплообміну необхідно застосовувати оребрення? Чому?

19. Як здійснюється розрахунок передачі теплоти через газовий або рідинний прошарок?