1.3.6. Плотность теплового потока и тепловой поток теплопроводностью для многослойной плоской стенки

Задано: .

Найти: .

(1.10)

Затем, если просуммировать правые и левые части получим:

. (1.11)

Откуда плотность теплового потока для плоской многослойной стенки будет равна:

, (1.12)

или

. (1.13)

Тепловой поток для плоской многослойной стенки определится по формуле

, (1.14)

где R - полное термическое сопротивление;

F - площадь плоской стенки.

1.3.7. Плотность теплового потока и тепловой поток теплопроводностью для однослойной цилиндрической стенки

Задано: d₁; d₂; tc₁; tc₂; . Найти: q?

Плоскость теплового потока через цилиндрическую однослойную стенку будет определяться по формуле

, (1.15)

где: - термическое сопротивление теплопроводностью цилиндрической однослойной стенки.

. (1.16)

1.3.8. Плотность теплового потока и тепловой поток теплопроводностью для многослойной цилиндрической стенки

(1.17)

Выделив круглые скобки и просуммировав их, получим

, (1.18)

где - суммарное термическое сопротивление многослойной цилиндрической стенки.

(1.19)

1.4. Конвективный теплообмен

1.4.1. Конвективный теплообмен как совокупный процесс конвективного переноса и молярной теплопроводности

Конвективным теплообменом или теплоотдачей называется процесс переноса теплоты между поверхностью твёрдого тела и жидкой среды. При этом перенос теплоты осуществляется одновременными действиями теплопроводности и конвекции.

Явление теплопроводности в жидкостях и газах, так же как и в твёрдых телах, вполне определяется коэффициентом теплопроводности и температурным градиентом. Иначе обстоит дело с явлением конвекции - вторым элементарным видом распространения теплоты. Здесь процесс переноса теплоты непрерывно связан с переносом самой среды. Поэтому конвекция возможна лишь в жидкостях и газах, частицы которых могут легко перемещаться.

Конвективный теплоперенос представляет собой процесс, зависящий от многих факторов: режима движения среды, скорости физических свойств среды, размеров и формы обтекаемой стенки, степени её шероховатости, температур жидкости (газа) tж и стенки tc и т.п. В зависимости от причины возникновения течения жидкости (газа) относительно стенки различают свободное (вследствие разностей плотностей нагретых и холодных частей) и вынужденное (под действием ветра, насоса, компрессора, вентилятора и т.д.) движение среды. В связи с этим конвекция может быть свободной и вынужденной.

Свободным называется движение, происходящее вследствие разности плотностей нагретых и холодных частей жидкости гравитационного поля Земли. Возникновение и интенсивность свободного движения определяется тепловым условием процесса и зависит от рода жидкости, разности температур, напряжённости гравитационного поля и объёма пространства, в котором протекает процесс. Свободное движение также называется естественной конвекцией.

Вынужденным - называется движение, возникшее под действием посторонних возбудителей, например насоса, вентилятора и пр.

В общем случае наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур в отдельных точках жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.

На интенсивность процесса конвективного теплообмена при вынужденном движении жидкости существенное влияние оказывает режим движения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме частицы жидкости движутся упорядоченно вдоль стенок канала. Отдельные части жидкости не перемещаются в направлении, перпендикулярном направлению движения. Перенос теплоты от потока жидкости к стенке в условиях ламинарного режима осуществляется исключительно теплопроводностью.

Т урбулентный режим течения жидкости (газа) характеризуется хаотическим перемещением её отдельных частиц, интенсивным перемешиванием её отдельных частиц, интенсивным перемещением потока. Перенос теплоты от жидкости к стенке также осуществляется путём перемешивания и отличается большей интенсивностью, чем при ламинарном режиме. Однако при турбулентном режиме течения вблизи стенки канала образуется тепловой пограничный слой.

Характерной особенностью пограничного слоя является то, что в нём имеет место большой поперечный градиент темпера-туры, он имеет поперечный перенос теплоты от жидкости к стенке и наоборот. В пограничном слое перенос теплоты определяется теплопроводностью, то есть также как и при ламинарном режиме.