Теплоотдача. Закон Ньютона. Коэффициент теплообмена. Тепловой пограничный слой. Теплопередача. Коэффициент теплопередачи

Перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющую их стенку называют теплопередачей. Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называют теплоносителями: более нагретый – горячий теплоноситель, менее нагретый – холодный теплоноситель.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температура является функцией только системы координат, то есть не зависит от времени (установившийся режим в аппаратах непрерывного действия). При неустановившемся (нестационарном) процессе температура изменяется в пространстве и во времени (аппараты периодического действия, остановка и пуск аппаратов непрерывного действия).

В практических условиях конвективный теплообмен между поверхностью твердой стенки и омывающей ее жидкостью (газом) называют теплоотдачей.

Расчет скорости процесса теплоотдачи осуществляется с помощью эмпирического закона охлаждения Ньютона (уравнение теплоотдачи).

При установившемся процессе уравнение имеет вид:

Q = αF(t_ж – t_ст)τ

где: Q – тепловой поток;

α – коэффициент теплоотдачи (теплообмена) (показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя к 1 м² поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м² к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1°). Характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе. Зависит от многих факторов: режима движения, физических свойств теплоносителя (вязкость, плотность, теплопроводность), геометрических параметров каналов, состояния поверхности стенки.

F – поверхность теплоотдачи

t_ж – температура жидкости

t_ст – температура стенки

τ – время

Рассматривается процесс передачи теплоты теплопроводностью в твердой стенке. Обязательное условие такого процесса: разность температур поверхностей стенки. При этом образуется поток теплоты направленный от поверхности стенки с большей температурой к поверхности стенки с меньшей температурой.

При установившемся процессе закон Фурье имеет вид:

Q = λF(t'_ст – t''_ст)/δ

где: Q – тепловой поток;

λ – коэффициент теплопроводности (показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1° на единицу длины нормали к изотермической поверхности), физическая характеристика вещества, определяющая способность тела проводить теплоту, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов.

F – поверхность стенки

t'_ст – t''_ст – температурный напор, разность температур поверхностей стенки

δ – толщина стенки

Рассмотрим передачу теплоты сквозь многослойную плоскую стенку от горячего теплоносителя к холодному

В слое горячего теплоносителя температура изменяется от t₁ до t_ст1,

по толщине стенки от t_ст1 до t_ст2 и в слое холодного теплоносителя

от t_ст2 до t₂.

Теплопроводности слоев равны: λ₁, λ_2.

Тепловые сопротивления будут равны: δ₁/ λ₁, δ₂/ λ₂

Тепловое сопротивление всей стенки составит

R_ст = δ₁/ λ₁ + δ₂/ λ₂ + …=∑δ/λ

Коэффициент теплопередачи (всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи α) будет равен:

К = 1/ (1/α₁+∑δ/λ+ 1/α₂)

Количество теплоты при передаче через многослойную стенку будет равно: Q = КF(t₁ – t₂)τ

Тепловой пограничный слой- весьма тонкий слой жидкости, прилегающий непосредственно к поверхности стенки, в пределах которого сосредоточено практически все изменение температуры жидкости: от температуры поверхности до температуры жидкости в ядре потока (см. рис.1,а).

Тепловой пограничный слой характеризуется большим поперечным градиентом температуры, под действием которого осуществляется поперечный перенос теплоты.

Схемы движения теплоносителей в теплообменниках. Основные уравнения расчета теплообменников в стационарном режиме.