9 Теплопередача
Процесс передачи теплоты от одной жидкости к другой через разделяющую их стенку называется теплопередачей.
Примечание: здесь под жидкостью подразумеваются как жидкости, так и газы.
Пример: Передача теплоты от горячего нефтепродукта в резервуаре к холодному наружному воздуху через стенку резервуара.
9.1 Плоская стенка
Рассмотрим стационарную теплопередачу между двумя жидкостями через разделяющую их многослойную плоскую стенку (рисунок 9.1).
При стационарном режиме плотность теплового потока постоянна q = Const.
Теплопередача делится на три процесса:
1. Вначале теплота отдается от горячей жидкости t ж1 к поверхности стенки путем конвективного теплообмена (теплоотдачи). Интенсивность процесса теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи 1.
Рисунок 9.1 - Распределение температур при теплопередаче
через многослойную плоскую стенку
По закону Ньютона – Рихмана теплоотдача от жидкости 1 к стенке описывается уравнением
,
(9.1)
где
|
термическое сопротивление внешней теплоотдачи от горячей жидкости 1 к стенке. |
–
2. Затем теплота теплопроводностью переносится внутри стенки поочередно от одного слоя стенки к другому. Интенсивность процесса теплопроводности характеризуется коэффициентом теплопроводности (1,…,n).
По закону Фурье теплопроводность внутри многослойной плоской стенки описывается уравнением
.
(9.2)
3. Далее теплота опять путем конвективного теплообмена (теплоотдачи) отдается от поверхности стенки к холодной жидкости tж2. Интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом теплоотдачи 2.
По закону Ньютона – Рихмана теплоотдача от стенки к жидкости 2 описывается уравнением
, (9.3)
где
|
термическое сопротивление внешней теплоотдачи от стенки к холодной жидкости 2. |
–
Так как при стационарном режиме плотность теплового потока во всех трех процессах одинакова, можно из уравнений (9.1)…(9.3) составить систему уравнений:
.
(9.4)
Сложив правые и левые части, получим уравнение теплопередачи через многослойную плоскую стенку:
или
,
Вт/м2
(9.5)
где Rk – термическое сопротивление теплопередачи от горячей жидкости к холодной, (м2∙К)/Вт.
Величина, обратная Rk, называется коэффициентом теплопередачи К:
,
Вт/(м2∙К).
(9.6)
Коэффициент теплопередачи К характеризует интенсивность процесса теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку.
Тогда уравнение теплопередачи (9.5) можно записать:
,
Вт/м2
или (9.7)
,
Вт.
Граничные температуры определяются из системы уравнений (9.4):
(9.8)
Очевидно, что формулы (9.1) – (9.8) справедливы и для однослойной плоской стенки при условии:
,
,
t c(n+1) = t c 2.