3. Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи

В большинстве практических случаев взаимодействие теплоносителей происходит через некоторую поверхность раздела, которая в общем случае может рассматриваться как многослойная твердая стенка. Например, в трубчатых теплообменниках передача теплоты происходит через стенку трубы и два слоя загрязнений с обеих сторон стенки. Этот вид теплообмена называется теплопередачей.

На рисунке 3.1 показана плоская стенка толщиной , материал которой имеет коэффициент теплопроводности . По одну сторону стенки протекает теплоноситель с температурой в ядре потока, по другую сторону - теплоноситель с температурой . Температуры поверхностей стенки и .

Рис. 3.1 Схема теплопередачи через стенку

При установившемся процессе количество теплоты , передаваемое в единицу времени через поверхность площадью S от ядра потока первого теплоносителя к стенке, равно количеству теплоты, передаваемому через стенку и от стенки к ядру потока второго теплоносителя. Это количество теплоты можно определить по любому из представленных ниже соотношений:

• уравнению теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке:

; (3.1)

• уравнению теплопроводности внутри стенки:

; (3.2)

• уравнению теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю:

. (3.3)

Из этих соотношений следует, что

; (3.4)

; (3.5)

. (3.6)

Складывая последние три уравнения (3.4), (3.5) и (3.6), имеем

_{; (3.7)}

или

, (3.8)

где называется коэффициентом теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи является суммирующим коэффициентом скорости теплового процесса, учитывающим необходимость перехода теплоты от ядра потока первого теплоносителя к стенке (теплоотдачей), через стенку (теплопроводностью) и от стенки к ядру потока второго теплоносителя (теплоотдачей) [11, 12, 13].

Численное значение коэффициента теплопередачи определяется количеством теплоты, которое передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку площадью 1 м² в единицу времени при разности температур между теплоносителями 1 °С. Единица измерения коэффициента теплопередачи – Вт/(м² · К).

При расчетах необходимо учитывать термические загрязнения со стороны теплоносителей, поэтому при расчете коэффициента теплопередачи вместо величины используют так называемое термическое сопротивление стенки [14-16]:

_{, (3.9)}

_{где , – термические сопротивления загрязнений стенки, (м}²_·К)/Вт.

_{Тогда коэффициент теплопередачи:}

. (3.10)

Наиболее часто теплопередача в промышленной аппаратуре протекает при переменных температурах теплоносителей. Температуры теплоносителей изменяются вдоль поверхности разделяющей их стенки, поэтому в тепловых расчетах пользуются средней разностью температур , которая и должна войти в уравне­ние теплопередачи (3.8).

Количество теплоты, передаваемое через поверхность при теплообмене, пропорционально средней разности температур. Таким образом, основное уравнение теплопередачи принимает вид:

. (3.11)