1. Теплопередача

11. Общая характеристика процессов теплообмена

11.1. Теплопередача

В литературе накопилось множество работ посвященных процессам распространения и переноса тепла, многие работы прошлых веков сохранили своё значение до сих пор. Например «Гидродинамическая теория теплообмена» Рейнольдса вышедшая в 1874 году.

Теплообмен — это форма передачи энергии от одного тела к другому. Мерой теплообмена служит количество перенесенной теплоты. При теплообмене между двумя телами (более нагретом и менее нагретом) внутренняя энергия первого тела уменьшается, а второго — увеличивается. В этом процессе теплового взаимодействия теплота в соответствии со вторым законом термодинамики самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Процесс теплообмена тем интенсивнее, чем больше разность температур тел, обменивающихся теплом.

Термин ТЕПЛОПЕРЕДАЧА обозначает науку, которая является частью общего учения о теплоте. Наука теплопередача изучает процессы распространения тепла в различных телах и обмена теплом между различными телами.

Кроме того, термин ТЕПЛОПЕРЕДАЧА применяется для обозначения процесса передачи тепла от одной среды к другой через разделяющую их твердую стенку. В различных судовых машинах и теплообменных аппаратах происходит процесс теплообмена между двумя рабочими телами (жидкость – жидкость, жидкость – газ, газ – газ) через разделяющую их герметичную стенку. Например, в водяных и масляных теплообменниках, в топке котла от продуктов сгорания к кипящей в трубках воде, в конденсаторах паротурбинных установок, в испарителях морской воды, в СДВС при охлаждении втулок, крышек цилиндров, в конденсаторах и испарителях холодильных установок, в воздухоохладителях систем кондиционирования и т.д.

Количество тепла, передаваемое в теплообменнике от одной среды к другой можно оценить как

Q = KF(t_Ж1 – t_Ж2), Вт, (11.1)

где K — коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата, Вт/(м²·К);

F — площадь теплообменной поверхности аппарата, м²;

t_Ж1 – t_Ж2 — разность температур сред обменивающихся теплом, K.

Процесс теплопередачи является сложным процессом, потому что поток тепла от горячего теплоносителя сначала должен перейти к поверхности стенки, контактирующей с этим теплоносителем (процесс теплоотдачи), затем пройти сквозь твердую стенку, разделяющую потоки теплоносителей (процесс теплопроводности), и, наконец, от поверхности стенки, контактирующей с холодным теплоносителем, перейти к холодному теплоносителю (теплоотдача). Теплоотдача и теплопроводность относятся к элементарным способам переноса тепла. Различают три простых способа переноса тепла — теплоотдачу, теплопроводность и лучистый теплообмен.

11.1.1. Теплоотдача

Наряду с термином «теплоотдача» для обозначения этого процесса часто используют термин «конвекция».

Теплоотдача — это процесс теплового взаимодействия твердой стенки и омывающей эту стенку жидкой (газообразной) среды. Перенос тепла при этом происходит вместе с перемещением вещества в пространстве. При этом не имеет значение направление теплового потока. И в случае, если тепловой поток направлен от стенки в жидкость, и в случае, когда жидкость нагревает стенку — оба процесса переноса тепла называют теплоотдачей. Процесс теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи, который зависит от условий омывания теплообменной поверхности жидкостью. Основной характеристикой теплоотдачи является количество тепла, которым обмениваются теплообменная поверхность с жидкостью, омывающей эту поверхность

Q = Ft, Вт, (11.2)

где  — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К);

F — площадь теплообменной поверхности, м²;

t — разность температур между температурой греющей стенки и температурой жидкости (либо между температурой греющей жидкости и температурой стенки), K.

Формула (2), часто используемая в расчетах теплообменных аппаратов, была предложена И. Ньютоном.