Ненасыщенные и насыщенные пары

Над свободной поверхностью жидкости всегда имеются пары этой жидкости, образующиеся за счет испарения. Если пространство над свободной поверхностью жидкости не ограничено какими – либо стенками, молекулы или атомы испарившегося вещества, совершая хаотическое тепловое движение, удаляется от поверхности жидкости. Удалению частиц пара от поверхности жидкости способствуют явление диффузии, а также естественная или искусственная конвекция слоев воздуха. Концентрация частиц пара при постоянной температуре в этих условиях может изменяться в широких пределах как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. Такие пары называются ненасыщенными.

Иная картина наблюдается, если над свободной поверхностью жидкости имеется ограниченное пространство. Заполнено оно какими – либо другими газообразными веществами, кроме паров испаряющейся жидкости, или нет – значения не имеет. Важно заметить, что процесс испарения в замкнутое пространство может происходить только до определенного предела. Чем большей становится концентрация молекул или атомов испаряющегося вещества в парообразном состоянии, тем большим будет давление этих паров при постоянной температуре. При этом все большее число молекул или атомов может возвращаться через свободную поверхность обратно в жидкость. Если объем пространства, предоставленного парам, достаточно мал, а жидкости много, может наступить динамическое равновесие: число частиц, покидающих жидкость за единицу времени, уравняется с числом частиц, возвращающихся в жидкость за тот же промежуток времени. При этом над жидкостью будет находиться постоянная масса пара и большей концентрации его частиц в данных условиях достичь не удается. Такой пар называется насыщенным.

Давление насыщенного пара какого-то вещества при заданной температуре может иметь одно – единственное определенное значение.

Уменьшение объема пространства, предоставленного насыщенному пару данного вещества при постоянной температуре, приводит к конденсации части пара в жидкость, так как концентрация его частиц не может превысить определенного значения. Этим изотермическое сжатие насыщенных паров отличается от сжатия паров ненасыщенных, которые ведут себя как обычные идеальные газы. Закон Бойля – Мариотта, следовательно, для насыщенных паров не выполняется.

Закон Гей – Люссака также не применим к насыщенным парам, так как объем, предоставленный им, не зависит от температуры.

Неприменим к насыщенным парам и закон Шарля. При увеличении температуры идеальных газов или ненасыщенных паров в изохорическом процессе возрастает средняя кинетическая энергия их частиц, что приводит к их более частым соударениям между собой и со стенками сосуда, т.е. к повышению давления.

Говорить с уверенностью о том, что в данном закрытом сосуде содержится именно насыщенный пар какого-то вещества, можно только в том случае, если в сосуде имеется это вещество в жидком состоянии и масса его жидкой фазы не изменяется.

Например, перед нами поставили закрытый стеклянный сосуд и просят без всяких измерений определить, насыщенный или ненасыщенный водяной пар в нем содержится.

Для ответа на этот вопрос нужно подождать несколько минут, чтобы содержимое сосуда успело прийти в термодинамическое равновесие с окружающим воздухом. Это вызывается тем, что мы не знаем, из помещения с какой температурой принесен сосуд, а изменение температуры пара при неизменном объеме может привести пар из ненасыщенного состояния в насыщенное и обратно. Если после установления равновесия не обнаруживается конденсации воды на внутренних стенках сосуда, мы должны сказать, что при той температуре, при которой проводится наблюдение, в сосуде содержится ненасыщенны пар. Если же на стенках сосуда появляются капельки воды – пар насыщенный.

Пары воды в воздухе

В атмосфере Земли всегда содержаться водяные пары. С их присутствием приходится считаться очень часто. В особенности влажность воздуха подлежит точной оценке в закрытых или плохо вентилируемых помещениях, в сушильных камерах и т.д.

Для количественной оценки содержания водяных паров в воздухе используют две величины – абсолютную влажность (f) и относительную влажность (В).

Абсолютной влажностью называют физическую величину, измеряющуюся массой водяного пара, содержащегося в одном кубическом метре воздуха. Таким образом, абсолютная влажность совпадает с размерностью плотности, но на практике обычно пользуются единицей – 1г/м³ .

Последнее обстоятельство связано с тем, что абсолютная влажность f, выраженная в г/м³, по численному значению мало отличается от парциального давления паров воды p при тех же условиях, измеренного в миллиметрах ртутного столба.

Процентное отношение парциального давления p паров воды, находящихся в воздухе, к давлению насыщенного пара воды p_н.п. при данной температуре называется относительной влажностью:

При расчете относительной влажности по этой формуле давление p и p_н.с. должны измеряться в одинаковых единицах. Обычно их измеряют не в паскалях, а в миллиметрах ртутного столба. Величину p_н.с определяют по таблицам.

Температура, при которой воздух в процессе своего охлаждения становится насыщенным водяными парами, называется точкой росы.

ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Теплопередачей называют науку, изучающую закономерности процессов теплообмена между телами и распространения теплоты внутри одного тела. Изучение законов теплообмена необходимо для управле­ния тепловыми потоками, возникающими почти повсеместно в рабочих процессах машин, двигателей, аппаратов и т. п.

В теории теплопередачи рассматривается два основных вопроса:

I. Определение количества теплоты, которое передается от одного тела к другому или переходит из одной части тела к другой при за­данных условиях.

II. Определение температуры в разных участках тела, участвую­щего в процессе теплообмена.

Необходимым и достаточным условием теплообмена является раз­ность температур.

Теплота передается тремя способами: теплопроводностью, конвек­цией и излучением.

Теплопроводность— это процесс распространения тепловой энер­гии при непосредственном соприкосновении отдельных частей тела, имеющих различные температуры.

Конвекция — это процесс переноса энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область, имеющую другую температуру.

Излучение (лучистый теплообмен) — это процесс передачи энергии электромагнитными волнами. Теплопередача излучением представ­ляет собой двойное преобразование энергии: более нагретое тело излучает энергию в виде электромагнитных колебаний, другое менее нагретое тело поглощает энергию и нагревается.

Обычно теплообмен между телами совершается всеми тремя спо­собами одновременно. Сочетание их может быть самым разнообраз­ным. При этом один способ может преобладать над другим в зависи­мости от условий, в которых происходит теплообмен.

Однако при изучении процессов теплообмена следует четко раз­граничивать и отдельно рассматривать различные способы передачи теплоты (теплопроводность, конвекцию и излучение), поскольку они подчиняются различным законам.

Процессы теплообмена в теплотехнических устройствах могут протекать как при установившемся (стационарном), так и при неуста- новившемся (нестационарном) режимах. Стационарным (установив­шимся) тепловым режимом называют режим, при котором темпера­тура в любой точке тела не зависит от времени. Стационарному ре­жиму всегда предшествует нестационарный.

Процессы, протекающие в условиях нестационарного теплового режима (процессы нагрева и охлаждения), весьма сложны, и их рассмотрение не входит в программу данного курса. Поэтому здесь рассмотрены только стационарные процессы теплообмена.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Основные понятия

Теплопроводность — это молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием разности температур.

Такой способ теплообмена имеет место в основном в твердых телах как внутри одного тела, так и между двумя телами при их соприкосно­вении друг с другом. Теплопроводность может осуществляться также и через слой жидкости или газа. Однако газы и жидкости, за исключе­нием расплавленных металлов, являются очень плохими проводни­ками теплоты.

Температурное поле. Процесс теплопроводности, так же как и другие виды теплообмена, осуществляется только при усло­вии, что в различных точках тела температура не одинакова. Как из­вестно, температура является параметром состояния тела и характе­ризует степень его нагретости. Совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства в данный момент времени называют температурным полем. Математически температурное поле выражается функцией координат

(47)

Температурное поле может быть функцией трех, двух и одной координаты. Если температура меняется в трех направлениях, то поле называют трехмерным.

Уравнения двумерного и одномерного полей имеют вид:

	(48)
	(49)

Поверхность, во всех точках которой температура одинакова, называют изотермической.

Поскольку в одной и той же точке пространства одновременно не может быть двух различных температур, то разные изотермические поверхности никогда не пересекаются между собой. Все они либо оканчиваются на поверхности тела, либо целиком располагаются внутри него.

 

Закон Фурье. Тепловым потоком называют количество теплоты Q, проходящее в единицу времени через произвольную поверхность. Вектор теп­лового потока всегда направлен в сторону уменьше­ния температуры.

Количественно интенсивность теплообмена харак­теризуется плотностью теплового потока q.

Плотностью теплового потока или удельным теп­ловым потоком, называют количество теплоты, про­ходящее через единицу поверхности F в единицу времени τ:

(50)

Так как теплота всегда передается от более нагретых частиц тела к менее нагретым, то вектор плотности теплового потока q всегда на­правлен в сторону уменьшения температуры.

Изучая процесс теплопроводности в твердых телах, французский ученый Фурье установил, что плотность теплового потока пропорцио­нальна градиенту температуры:

(51)

Соотношение (51) выражает основной закон теплопроводности и называется законом Фурье.

Знак минус в правой части соотношения (51) означает, что векторы теплового потока и градиента температуры направлены в противоположные стороны.

Коэффициент пропорциональности λ в выражении (51) есть фи­зический параметр вещества, называемый коэффициентом теплопро­водности. Он характеризует способность вещества проводить теплоту.

Размерность коэффициента теплопроводности определяется из выражения (51):

Следовательно, величина коэффициента теплопроводности числен­но равна удельному тепловому потоку через стенку единичной толщины при перепаде температуры 1^о С. Чем больше λ, тем лучшим провод­ником теплоты является вещество.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, плохим проводником теплоты — сухой неподвижный воздух. Легкие пористые материалы плохо проводят теплоту, так как их поры заполнены воз­духом. Материалы, коэффициент теплопроводности которых меньше 0,2 вт/(м-град), называют теплоизоляционными. Вода обладает плохой теплопроводностью, однако коэффициент теплопроводности влаж­ного материала резко увеличивается по сравнению с теплопровод­ностью его в сухом состоянии. Это объясняется тем, что вода в 20— 25 раз лучше проводит теплоту, чем воздух. Поэтому заполнение пор тела водой резко понижает его теплоизоляционные свойства.

Значение коэффициента теплопроводности λ для каждого тела находят экспериментально. Результаты сводят в таблицы, которыми пользуются при расчетах.

Теплопроводность стенки

Плоская однослойная стен к а. На рис.6 показана плос­кая однослойная стенка толщиной δ из однородного материала (кир­пича, металла, дерева или любого другого).

Примем, что коэффициент теплопроводности материала λ не зависит от температуры. На наружных поверхно­стях стенки поддерживаются постоянные температуры t₁>t₂; температура изме­няется только в направлении оси х, пер­пендикулярной плоскости стенки, т. е. тем­пературное поле одномерно, а градиент температуры равен dt/dx.

Найдем плотность теплового потока, проходящего через заданную стенку, и установим характер изменения темпера­туры по толщине стенки.

Выделим внутри стенки элементарный слой толщиной dx, ограниченный двумя изотермическими поверхностями. Уравне­ние Фурье для этого слоя имеет вид

(52)

Разделив переменные, получим

После интегрирования

Постоянная интегрирования С определяется из граничных усло­вий: при x=0 t = t₁. Отсюда С =t₁ , следовательно, уравнение имеет вид

(53)

Из этого уравнения можно определить плотность теплового по­тока, проходящего через рассматриваемую стенку. Положив в урав­нении (53) х=δ, получим t= t₂, откуда

(54)

Плотность теплового потока в плоской стенке прямо пропорцио­нальна коэффициенту теплопроводности λ, перепаду температур () и обратно пропорциональна толщине стенки δ. Следует иметь в виду, что тепловой поток определяется не абсолютным значением температур, а их разностью — температурным напором Уравнение (54) является расчетной формулой теплопроводности плоской стенки. Оно связывает между собой четыре величины q, λ, δ и :

Зная любые три величины, можно всегда найти четвертую. Отно­шение λ/δ называют тепловой проводимостью стенки; она имеет раз­мерность [вт/(м² • град ) ].

Если равенство (54) переписать в другом виде, то получим

(55)

 

Отношение толщины стенки к коэффициенту теплопроводности δ/λ называют термическим сопротивлением стенки.

Из равенства (55) видно, что удельный тепловой поток прямо пропорционален перепаду температур и обратно пропорционален термическому сопротивлению стенки. Действительно, чем больше знаменатель дроби в уравнении (55), т. е. δ/λ, тем меньше плотность теплового потока q. Следовательно, с увеличением толщины стенки δ или с уменьшением теплопроводности λ уменьшается плотность тепло- ого потока q.

Определив по формуле (54) плотность теплового потока, можно определить общее количество теплоты Q в джоулях, переданное через плоскую стенку поверхностью F за время τ:

(56)

Если в формулу (53) подставить значение q из формулы (54), то можно получить уравнение температурной кривой:

(57)

Это уравнение является уравнением прямой линии. Таким образом, при постоянном значении коэффициента теплопроводности темпера­тура по толщине однородной стенки изменяется линейно. В тех слу­чаях, когда коэффициент теплопроводности зависит от температуры, он является переменной величиной и расчет­ные формулы получаются несколько сложнее.

Плоская многослойная стенка

В практике большое значение имеет процесс передачи теплоты через плоскую стенку, состоящую из нескольких слоев материала с различной теплопроводно­стью. Так, например, металлическая стенка парового котла, покрытая с внешней стороны шлаками, а с внутренней накипью, представляет собой трехслойную стенку.

Рассмотрим процесс передачи теплоты теплопроводностью через плоскую-трехслойную стенку (рис.7). Все слои такой стенки плотно прилегают друг к другу. Толщины слоев обозначены δ_1, δ₂ и δ₃, а коэффициенты теплопроводности каждого материала λ_1, λ₂ и λ₃ соот­ветственно. Известны также температуры наружных поверхностей t_l и t₄. Температуры t₂ и t₃ неизвестны.

Процесс передачи теплоты теплопроводностью через многослойную стенку рассматривается при стационарном режиме, поэтому удельный тепловой поток q, проходящий через каждый слой стенки, по величине постоянен и для всех слоев одинаков, но на своем пути он преодоле­вает местное термическое сопротивление δ/λ каждого слоя стенки. Поэтому на основании формулы (54) для каждого слоя можно напи­сать:

Из этих равенств можно определить изменение температуры в каж­дом слое:

	(58)

Складывая левые и правые части равенств (58), получим полный температурный напор, состоящий из суммы изменений температуры в каждом слое:

Из последнего соотношения можно определить величину удельного теплового потока q, проходящего через многослойную стенку:

(59)

Из уравнения (59) следует, что общее термическое сопротивле­ние многослойной стенки равно сумме термических сопротивлений каждого слоя:

Для n-слойной стенки формула (13) примет вид

 

По формулам (58) и (59) можно получить значения неизве­стных температур t₂ и t₃:

или

Распределение температуры в каждом слое стенки при λ-const подчиняется линейному закону, что видно из равенства (58). Для многослойной стенки в целом температурная кривая представляет собой ломаную линию (на рис.7).

Формулами, полученными для многослойной стенки, можно поль­зоваться при условии хорошего теплового контакта между слоями. Если между слоями появится хотя бы небольшой воздушный зазор, то термическое сопротивление заметно увеличится, так как тепло­проводность воздуха очень мала:

[λ_В03Д = 0,023 вт/(м град)].

Если наличие такого слоя неизбежно, то при расчетах он рассмат­ривается как один из слоев многослойной стенки.

Конвективный теплообмен. Конвективный теплообмен пред­ставляет собой теплообмен между твердым телом и жидкостью (или газом), сопровождающийся одновременно теплопроводностью и конвекцией.

Явление теплопроводности в жидкости, как и в твердом теле, полностью определяется свойствами самой жидкости, в частности коэффициентом теплопроводности и градиентом температуры.

При конвекции перенос теплоты неразрывно связан с перено­сом жидкости. Это усложняет процесс, так как перенос жидкости зависит от характера и природы возникновения ее движения, физических свойств жидкости, формы и размеров поверхностей твердого тела и т. д.

Рассмотрим случай протекания около твердой стенки жидко­сти, температура которой ниже (или выше) температуры стенки. Между жидкостью и стенкой происходит теплообмен. Переход теплоты от стенки к жидкости (или обратно) назовем теплоотдачей. Ньютон показал, что количество теплоты Q, которым обмениваются между собой в единицу времени стенка, имеющая температуру Т_ст , и жидкость, имеющая температуру Т_ж, прямо пропорционально разности температур Т_ст — Т_ж и площади поверхности сопри­косновения S:

Q = αS (Т_ст — Т_ж) (60)

где α — коэффициент теплоотдачи, который показывает, каким количеством теплоты в течение одной секунды обмениваются жидкость и стенка, если разность температур между ними 1 К, а площадь поверхности, омываемой жидкостью, равна 1 м². В СИ единицей коэффициента теплоотдачи является Вт/(м² К). Коэф­фициент теплоотдачи α зависит от многих факторов, и в первую очередь от характера движения жидкости.

Турбулентному и ламинарному движению жидкости соответ­ствует различный характер передачи теплоты. При ламинарном движении теплота распространяется в направлении, перпендику­лярном перемещению частиц жидкости, так же как и в твердом теле, т. е. теплопроводностью. Так как коэффициент теплопровод­ности жидкости невелик, то распространяется теплота при лами­нарном течении в направлении, перпендикулярном потоку, очень слабо. При турбулентном движении слои жидкости (более и менее нагретые) перемешиваются, и теплообмен между жидкостью и стенкой в данных условиях идет более интенсивно, чем при ла­минарном течении. В пограничном слое жидкости (у стенок трубы) теплота передается только теплопроводностью. Поэтому погра­ничный слой представляет собой большое сопротивление потоку теплоты, и в нем происходит наибольшая потеря температурного напора.

Помимо характера движения, коэффициент теплоотдачи за­висит от свойств жидкости и твердого тела, температуры жидкости и т. д. Таким образом, теоретически определить коэффициент теплоотдачи довольно сложно. На основании большого экспери­ментального материала найдены следующие значения коэффи­циентов теплоотдачи [в Вт/(м² К)], для различных случаев кон­вективного теплообмена:

Естественная конвекция газов	5,8—34,7
Движение газов в трубах или между ними	11,6—116
Движение водяного пара в трубах	116—2 320
Естественная конвекция воды	116—1 160
Движение воды по трубам	575—11600
Кипение воды	2320—11600
Конденсация пара	4650—17500

 

В основном конвективный теплообмен происходит при продоль­ном вынужденном течении жидкости, например теплообмен между стенками трубы и жидкостью, текущей по ней; поперечном вынуж­денном обтекании, например теплообмен при омывании жидкостью поперечного пучка труб; свободном движении, например тепло­обмен между жидкостью и вертикальной поверхностью, которую она омывает; изменении агрегатного состояния, например тепло­обмен между поверхностью и жидкостью, в результате которого жидкость закипает или происходит конденсация ее паров.

Лучистый теплообмен. Лучистым теплообменом называют процесс передачи теплоты от одного тела к другому в форме лу­чистой энергии. В теплотехнике в условиях высоких температур теплообмен излучением имеет первостепенное значение. Поэтому современные теплотехнические агрегаты, рассчитанные на высо­кие температуры, максимально используют этот вид теплообмена.

Любое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля, излучает электромагнитные волны. Их энергию способно поглотить, отразить, а также пропустить через себя какое-либо другое тело. В свою очередь, это тело также излучает энергию, которая вместе с отраженной и пропущенной энергией попадает на окружающие тела (в том числе и на первое тело) и вновь поглощается, отражается ими и т. д. Из всех электромаг­нитных лучей наибольшим тепловым действием об­ладают инфракрасные и видимые лучи с длиной вол­ны 0,4—40 мкм. Эти лучи называют тепловыми.

В результате поглощения и излучения телами лучистой энергии происходит теплообмен между ними.

Количество теплоты, поглощаемое телом в результате лучи­стого теплообмена, равно разности между энергией, падающей на него, и излучаемой им. Такая разность отлична от нуля, если температура тел, участвующих во взаимном обмене лучистой энергией, различна. Если температура тел одинакова, то вся сис­тема находится в подвижном тепловом равновесии. Но и в этом слу­чае тела по-прежнему излучают и поглощают лучистую энергию.

Энергию, излучаемую единицей поверхности тела в единицу времени, называют его излучательной способностью. Единица излучательной способности Вт/м^а.

Если на тело в единицу времени падает Q₀ энергии (рис.8), Q_R отражается, Q_D проходит через него, Q_A поглощается им, то

(61)

 

где Q_A/Q₀ = A — поглощательная способность тела; Q_R/Q_o = R — отражательная способность тела; Q_D/Q₀ = D — пропускающая способность тела.

Если А = 1, то R = D = 0, т. е. вся падающая энергия полностью поглощается. В этом случае говорят, что тело является абсолютно черным. Если R = 1,тоA=D = 0и угол падения лучей равен углу отражения. В этом случае тело абсолютно зеркально, а если отражение рассеянное (равномерное по всем направлениям) — абсолютно белое. Если D = 1,to A=R= 0 и тело абсолютно прозрачное. В природе нет ни абсолютно чер­ных, ни абсолютно белых, ни абсолютно прозрачных тел. Реаль­ные тела могут лишь в какой-то мере приблизиться к одному из таких видов тел.

Поглощательная способность различных тел различна; более того, одно и то же тело по-разному поглощает энергию различных длин волн. Однако есть тела, для которых в определенном интер­вале длин волн поглощательная способность мало зависит от длины волны. Такие тела принято называть серыми для данного интер­вала длин волн. Практика показывает, что применительно к интер­валу длин волн, используемых в теплотехнике, очень многие тела можно считать серыми.

Энергия, излучаемая единицей поверхности абсолютно чер­ного тела в единицу времени, пропорциональна четвертой сте­пени абсолютной температуры (закон Стефана—Больцмана):

 

Е₀ =σ'₀Т^А, где σ'₀ — константа излучения абсолютно черного тела:

σ'₀= 5,67-10-⁸ Вт/(м²- К⁴).

Часто этот закон записывают в виде

Рис.9. Модель абсолютно черного тела

(62)

где — коэффициент излучения абсо­лютно черного тела; = 5,67 Вт/(м² К⁴).

Многие законы излучения, установлен­ные для абсолютно черного тела, имеют огромное значение для теплотехники. Так, полость топки ко­тельной установки можно рассматривать как модель абсолютно черного тела (рис. 9). Применительно к такой модели законы излучения абсолютно черного тела выполняются с большой точностью. Однако пользоваться этими законами применительно к тепловым установкам следует осторожно. Например, для се­рого тела закон Стефана—Больцмана имеет вид, аналогичный формуле (62):

(63)

 

где Отношение / называют степенью черноты ε (ε тем больше, чем больше рассматриваемое тело отличается от абсо­лютного черного, табл. 4).

Формулу (63) используют для определения излучательной способности топок, поверхности слоя горящего топлива и т. п. Эту же формулу применяют при учете теплоты, переданной излу­чением в топочной камере, а также элементами котлоагрегата.

Тела, заполняющие внутреннее пространство топки, непре­рывно излучают и поглощают энергию. Однако система этих тел не находится в состоянии теплового равновесия, так как их тем­пература различна: в современных котлах температура труб, по которым проходят вода и пар, значительно ниже температуры то­почного пространства и внутренней поверхности топки. При этих условиях излучательная способность труб значительно меньше

Таблица 4

Материал	Темпера­тура, °С	ε	Материал	Темпера­тура, °С	ε
Алюминий шеро­ховатый Вода	20—50   0—100	0,06—0,07   0,95—0,96 0,88 -0,98 0,59	Масляная краска Сталь окисленная	200—600	0,95 0,74—0,80
Кирпич красный		Уголь	100— 600	0,81— 0,79
» шамотный		Штукатурка	10—90	0,91

 

излучательной способности топки и ее стенок. Поэтому теплообмен излучением, проходящий между ними, осуществляется главным образом в направлении передачи энергии от топки к поверхности труб.

При лучистом теплообмене между двумя параллельными по­верхностями со степенями черноты ε₃ и ε₂, имеющими соответ­ственно температуру T₁ и Т₂ количество энергии, которой они обмениваются, определяют по формуле

 

(64)

где S — площадь поверхностей; — так называемый приве­денный коэффициент излучения, Вт/(м² К⁴), для рассматривае­мого случая:

(65)

Если тела, между которыми происходит лучистый теплообмен, ограничены поверхностями и S₁ и S₂, расположенными внутри друг друга, то приведенный коэффициент излучения определяют по формуле

(66)

 

Теплопередача

Теплообмен между горячей и холодной средой через разделительную твёрдую стенку является одним из наиболее важных и часто исполь­зуемых в технике процессов. Например, получение пара заданных параметров в котлоагрегатах основано на процессе передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В многочисленных теплообменных устрой­ствах, применяемых в любой области промышленности, основным рабочим процессом является процесс теплообме­на между теплоносителями. Такой теп­лообмен называют теплопередачей.

Для примера рассмотрим однослой­ную (рис.10) стенку, толщина которой равна δ. Коэффициент теплопроводно­сти материала стенки равен λ. Темпе­ратуры сред, омывающих стенку слева и справа, известны и равны t₁ и t₂. При­мем, что t₁>t₂. Тогда температуры по­верхностей стенки будут соответственно t_ст1> /t_ст2. Требуется определить тепловой поток q, проходящий через стенку от греющей среды к нагреваемой.

Так как рассматриваемый процесс теплопередачи протекает при стационарном режиме, то теплота, отданная стенке первым теплоно­сителем (горячим), передается через нее второму теплоносителю (хо­лодному). Пользуясь формулой (54), можно записать:

 

 

(67)

 

 

Определим полный температурный напор t₁ – t_2. Для этого из равенств (67) определим сначала местные температурные напоры:

 

Складывая эти равенства, получим полный температурный напор:

 

откуда определим - величину теплового потока:

(68)

 

Знаменатель равенства (68) представляет собой сумму термиче­ских сопротивлений, которая, состоит из термического сопротивления теплопроводности δ/λ и двух термических сопротивлений теплоотдаче l/α₁ и 1/α₂.

Введем обозначение

(69)

Из выражений (68) и (69) получим

(70)

Величину k называют коэффициентом теплопередачи.

Величину, обратную коэффициенту теплопередачи, называют пол­ным термическим сопротивлением теплопередаче:

(71)