3.7. Сложный теплообмен

В тепловых процессах в большинстве случаев распространение тепла осуществляется одновременно теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Такой вид процесса, как было сказано выше, называется сложным теплообменом.

Передача тепла одновременно конвекцией и тепловым излучением является одним из важнейших процессов теплообмена.

Для установившегося процесса количество тепла, отдаваемое стенкой за счет теплопроводности, составляет

,

а за счет теплового излучения

.

Если ввести обозначение для коэффициента теплоотдачи излучением

,

количество тепла, отдаваемое стенкой за счет теплового излучения, составит

.

Тогда общее количество тепла, отдаваемое стенкой, равно:

или

,

где - приведенный коэффициент теплоотдачи, учитывающий одновременно конвективный теплообмен и теплообмен излучением.

Теплопередача, как было сказано выше, также относится к сложным видам теплообмена между теплоносителями через разделяющую перегородку.

Количество передаваемого тепла определяется основным уравнением теплопередачи

.

В этом уравнении коэффициент теплопередачи является коэффициентом скорости процесса, учитывающим перенос тепла теплоотдачей от теплоносителя к стенке, теплопроводностью через стенку и от стенки теплоотдачей к другому теплоносителю. Коэффициент теплопередачи определяет количество тепла, которое передается от одного теплоносителя к другому через единицу площади разделяющей их стенки в единицу времени при разности температур между теплоносителями в один град.

Соотношение для расчета коэффициента теплопередачи можно получить из схемы процесса, приведенной на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Характер изменения температур при теплопередаче через плоскую стенку

При установившемся процессе количество тепла, которым обмениваются теплоносители, остается неизменным для процессов теплоотдачи от одного теплоносителя к стенке и от стенки к другому теплоносителю, а также теплопроводности по толщине стенки

;

;

.

После решения этих уравнений относительно разностей температур получим

;

;

.

В результате сложения правых и левых частей уравнение примет вид

,

откуда

.

При сопоставлении последнего уравнения с уравнением теплопередачи получим выражение для коэффициента теплопередачи

.

Величина, обратная коэффициенту скорости, представляет собой сопротивление, называемое термическим сопротивлением теплопередаче. Это сопротивление складывается из суммы термических сопротивлений теплоотдачи со стороны теплоносителей и самой стенки:

.

При расчете термического сопротивления многослойной стенки (например, при наличии загрязнений с той и другой стороны поверхности теплообмена) необходимо учитывать термические сопротивления всех слоев, составляющих стенку:

.

Движущая сила процесса теплопередачи при прямоточном и противоточном движении теплоносителей вычисляется по уравнению

,

где , - наибольшая и наименьшая разности температур между теплоносителями на концах теплообменника, соответственно.

При небольших изменениях температур теплоносителей, когда , среднюю разность температур вычисляют как среднеарифметическую:

.

При перекрестном и смешанном токе теплоносителей среднюю разность температур определяют из формулы для прямоточного и противоточного движения теплоносителей с учетом поправочного коэффициента , определяемого из справочной литературы, т.е.

.