Сложный теплообмен [1, с.68-69]

Рассмотренные элементарные виды теплообмена (теплопроводность, конвекция и излучение) на практике, как правило, протекают одновременно. Конвекция, например, всегда сопровождается теплопроводностью, излучение часто сопровождается конвекцией. Сочетание различных видов теплообмена может быть весьма разнообразным, и роль их в общем процессе неодинакова. Это так называемый сложный теплообмен.

В теплотехнических расчётах при сложном теплообмене часто используют общий (суммарный) коэффициент теплоотдачи ₀, представляющим собой сумму коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, учитывающим действие конвекции, теплопроводности _к, и излучения _л, т.е ₀=_к+_л.

В этом случае расчётная формула для определения теплового потока имеет вид:

Q=(_к+_л)(t_ж-t_с)=₀(t_ж-t_с). (1.27)

Но если стенка омывается капельной жидкостью, например водой, то

_л=0 и ₀=_к. (1.28)

Теплопередача [1, с.69-72]

В теплотехнике часто тепловой поток от одной жидкости (или газа) к другой передаётся через стенку. Такой суммарный процесс теплообмена, в котором теплоотдача соприкосновением является необходимой составной частью, называется теплопередачей.

Примерами такого сложного теплообмена могут быть: теплообмен между водой (или паром) в отопительном приборе и воздухом в помещении; между воздухом в помещении и наружным воздухом.

Рассмотрим этот вид сложного теплообмена на конкретном примере, имеющем прямое отношение к изучаемой дисциплине.

Теплопередача через плоскую однослойную стенку.

Рассмотрим теплопередачу через плоскую однослойную стенку. Примем, что тепловой поток направлен слева направо, температура нагретой среды t_ж1, температура холодной среды t_ж2. Температура поверхностей стенки неизвестны: обозначим их как t_с1 и t_с2 (рис. 2.1).

Передача теплоты в рассматриваемом примере представляет собой процесс сложного теплообмена и состоит как бы из трёх этапов: теплоотдача от нагретой среды (жидкости или газа) к левой поверхности стенки, теплопроводность через стенку и теплоотдача от правой поверхности стенки к холодной среде (жидкости или газу). При этом полагается, что поверхностные плотности тепловых потоков в трёх указанных этапах одни и те же, если стенка плоская и режим теплообмена стационарный.

Напишем уравнения теплового потока:

Этап 1. Уравнение теплоотдачи от нагретой среды (жидкости или газа) к поверхности стенки:

. (1.29)

Этап 2. Уравнение теплопроводности через стенку:

. (1.30)

Этап 3. Уравнение теплоотдачи от правой поверхности стенки к холодной среде:

. (1.31)

Решив эти уравнения относительно частных температурных напоров, получим:

(1.32)

Сложив почленно эти уравнения, получим полный температурный напор:

, (1.33)

откуда поверхностная плотность теплового потока:

. (1.34)

Величина k называется коэффициентом теплопередачи и представляет собой мощность теплового потока, проходящего от более нагретой среды к менее нагретой через 1 м² поверхности при разнице температур между средами 1К. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередаче и обозначается R, м²К/Вт:

. (1.35)

Эта формула показывает, что общее термическое сопротивление равно сумме частных сопротивлений.