- •Часть 2. Теплопередача
- •Теплопроводность и теплопередача при стационарном режиме
- •Температурное поле. Градиент температуры
- •Механизмы и законы переноса теплоты. Явления теплопроводности, теплоотдачи и излучения
- •Теплопроводность через плоскую стенку
- •Теплопроводность через плоскую многослойную стенку
- •Теплопроводность через цилиндрическую стенку
- •Теплопроводность через многослойную цилиндрическую стенку
- •Теплопередача через мнослойную цилиндрическую стенку
- •Критический диаметр тепловой изоляции трубопровода
- •Теплопередача через мнослойную плоскую стенку
Теплопередача через мнослойную плоскую стенку
На рисунке 1.6 изображена плоская многослойная стенка с распределением температуры внутри стенки и вблизи её границ.
На
границах многослойной плоской стенки
заданы граничные условия третьего рода:
(1.26)
Плотность теплового потока через стенку определяется по формуле (1.12). Из неё найдём:
,
а из формулы (1.26):
.
Из последних двух уравнений определим:
или
, (1.27)
где
- коэффициент
теплопередачи. (1.28)
Величина обратная коэффициенту теплопередачи называется общим термическим сопротивлением:
. (1.29)
Общее термическое
сопротивление складывается из внешних
термических сопротивлений
и
,
внутренних термических сопротивлений
отдельных слоёв
и контактных термических сопротивлений
между ними
.
Температуры
граничных поверхностей стенки
и
определяются из равенств (1.26). Температуры
отдельных поверхностей получаются из
формул (1.12) и (1.13) после определения
граничных температур стенки.
Если стенка одна,
то
и
.
В этом случае коэффициент теплопередачи
будет равен:
. (1.30)
Теплопередача через мнослойную цилиндрическую стенку
Пусть заданы следующие параметры многослойной цилиндрической стенки:
диаметр каждой поверхности стенки;
теплопроводность каждой стенки;
контактные термические сопротивления между соседними стенками,
а также граничные условия третьего рода:
В этом случае тепловые потоки, приходящиеся на единицу длины стенки, определятся по формулам:
(1.31)
Тепловой поток через стенку найдём по формуле (1.24). Из неё найдём разность граничных температур стенки:
,
а из формулы (1.31):
.
Из последних двух соотношений определим тепловой поток, приходящийся на единицу длины стенки:
,
или
, (1.32)
где
- линейный коэффициент
теплопередачи, равный значению:
. (1.33)
Величина, обратная линейному коэффициенту теплопередачи называется общим термическим сопротивлением многослойной цилиндрической стенки.
Температуры граничных поверхностей стенки определяются по формуле (1.31).
Если стенка одна, то и . Тогда линейный коэффициент теплопередачи может быть вычислен по формуле:
. (1.34)
Критический диаметр тепловой изоляции трубопровода
На рисунке 1.7 показано поперечное сечение трубопровода, покрытого слоем изоляции.
Согласно
формуле (1.33) общее термическое линейное
сопротивление однородной трубы, покрытой
слоем изоляции, равно величине:
. (1.35)
Из полученной
формулы видно, что при увеличении толщины
изоляции предпоследний член правой
части увеличивается, отражая рост
внутреннего термического сопротивления,
а последний уменьшается, характеризуя
уменьшение внешнего термического
сопротивления. Следовательно, функция
имеет экстремум. Определим его, приравняв
нулю производную первого порядка:
.
Из полученного уравнения найдём диаметр изоляции, при котором функция имеет экстремум. Назовём его критическим диаметром изоляции:
. (1.36)
Определим вторую производную:
.
Так как вторая
производная
,
то экстремум является минимумом
термического сопротивления. Следовательно,
при
будет максимум теплового потока.
Рассмотрим отношение:
. (1.37)
В зависимости от
выбора параметров
и
это отношение может быть как меньше 1,
так и больше 1. Реальная же величина
.
Поэтому возможны случаи, изображённые
на рисунке 1.8.
Из левого рисунка
видно, что при критическом диаметре
изоляции
,
то есть когда
,
величина теплового потока
непрерывно уменьшается, начиная с
диаметра
,
при котором толщина изоляции равна
нулю. Поэтому при условии
изоляция целесообразна.
На правом рисунке
показано, что критический диаметр
изоляции
,
то есть
.
В этом случае при нанесении слоя изоляции
от диаметра
до диаметра
тепловой поток увеличивается. Уменьшаться
он начнет только после слоя изоляции с
диаметром
.
Поэтому при условии
изоляция нецелесообразна. В этом случае
лучше сменить, например, материал
изоляции (
),
добившись выполнения условия
.
Рассмотренное
условие выбора изоляции создает проблемы
при её нанесении на трубы малого диаметра,
особенно при малых значениях коэффициента
теплотдачи
.
Например, при наружном диаметре трубы
10 мм
и коэффициенте теплоотдачи 10 Вт/(м2·гр.)
пригодна изоляция при условии
или при значении коэффициента
теплопроводности материала изоляции
Вт/(м·гр.).
Эффективность
тепловой изоляции возрастает с уменьшением
её теплопроводности. Лучшие теплоизоляторы
пористой структуры имеют теплопроводность,
приближающуюся к теплопроводности
воздуха (при t=200С
=0,024
Вт/(м·гр.)).
Для повышения
эффективности изоляции используется
эффект ухудшения теплопроводности
газового слоя при уменьшении плотности
газа. На этой основе создана
вакуумно-порошковая и вакуумная
многослойная изоляция, которая при
давлении 0,133 Па
может иметь теплопроводность порядка
Вт/(м·гр.).
Следует отметить, что общее термическое сопротивление плоской стенки только возрастает с увеличением слоя изоляции. Это хорошо видно из формулы (1.29).
