Глава 6. Теплопередача. Основы расчета теплообменных аппаратов

Разделение процесса переноса теплоты на теплопроводность, конвективный теплообмен и теплообмен излучением удобно для его изучения. В действительности встречается сложный теплообмен, при котором теплота передается двумя или тремя вышеуказанными способами одновременно.

Типичным примером сложного теплообмена является теплообмен между стенкой и омывающим ее газом: конвективный теплообмен между движущимся газом и стенкой, теплопроводность внутри стенки и потока газа, излучение и поглощение энергии поверхностью.

В связи с этим коэффициент теплоотдачи при сложном теплообмене () представляет собой сумму коэффициентов конвективного (_к) и лучистого (_л) теплообмена

= _к + _л (6.1)

Если стенка омывается жидкостью (например, водой), то _л=0 и  = _к..

В теплотехнической практике часто тепловой поток от одного теплоносителя (газ, жидкость) к другому передаётся через разделяющую их твердую стенку. Такой процесс называется теплопередачей. Он является частным случаем сложного теплообмена и включает три этапа: конвективный теплообмен между нагретым теплоносителем (жидкость или газ) и, допустим, левой поверхностью стенки, теплопроводность через стенку и вновь конвективный теплообмен между правой поверхностью стенки к нагреваемому (холодному) теплоносителю. При этом в условиях установившегося (стационарного) режима сложного теплообмена тепловой поток в каждом из этапов один и тот же. Формулы для расчета теплопередачи зависят от формы стенки (плоская, цилиндрическая и т.п.), разделяющей теплоносители.

6.1 Теплопередача через плоскую стенку при граничных условиях 3 рода

Рис.6.1. Схема теплопередачи через плоскую однослойную стенку

Средние значения температур поверхностей стенки t_с1 и t_с2. Количество теплоты, передаваемой от горячей жидкости (газа) к стенке, равно количеству теплоты, передаваемой от стенки к нагреваемой жидкости (газу).

Если считать тепловой поток отнесенным к 1 м² площади стенки, то можно записать систему уравнений

q = ₁(t_ж1 – t_с1);

q = / (t_c1 – t_c2); (6.2)

q = ₂ (t_c2 – t_ж2);

Каждое из этих уравнений представим в виде

q (1/₁) = t_ж1 – t_с1;

+ q (/) = t_c1 – t_c2; (6.3)

q (1/₂) = t_c2 – t_ж2;

Сложив, получим расчетную формулу для плотности теплового потока

q = . (6.4)

Последнее выражение можно переписать так:

q = K (t_ж1 – t_ж2), (6.5)

где К = - коэффициент теплопередачи (Вт/м²·К). (6.6)

Коэффициент теплопередачи К численно равен плотности теплового потока q при разности температур теплоносителей в 1К.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередачи и равна сумме термических сопротивлений теплоотдачи 1/₁, 1/₂ и термического сопротивления теплопроводности /:

R = 1/K = 1/₁ + 1/₂ + /. (6.7)

Если плоская стенка состоит из нескольких слоев, каждый из которых однороден и плотно прилегает к другому (то есть отсутствует термическое сопротивление контакта), то общее термическое сопротивление многослойной стенки будет равно

R = , (6.8)

где _i, _i – соответственно толщина каждого из слоев многослойной стенки и коэффициенты теплопроводности материала каждого слоя

Удельный тепловой поток для этого случая подсчитывается по формуле q = (6.9)