Передача тепла от жидкости к жидкости через стенки. Коэффициент теплопередачи.

Передача теплоты теплопроводностью. Такая передача осуществляется при непосредственном соприкосновении каких-либо двух тел или веществ. Теплопередача происходит внутри самого тела или вещества, которое проводит теплоту. В отопительной технике теплопередача теплопроводностью играет большую роль.

Теплопроводность обусловлена различием температур отдельных частей тела, поэтому можно считать, что распространение теплоты неразрывно связано с распределением температуры. Температурное поле, изменяющееся с течением времени, называют неустановившимся, или нестационарным. Если же температурное поле не меняется, его называют установившимся, или стационарным.

Для характеристики процесса распространения теплоты вводят понятие о тепловом потоке. Тепловой поток Q - это количество теплоты W, Дж, проходящей за время т, с, через данную поверхность в направлении нормали к ней:

(1)

Тепловой поток измеряют в ваттах (Вт).

Если количество переданной теплоты W отнести к площади поверхности F и времени т, то получим величину

(2)

которую называют плотностью теплового потока, или удельным тепловым потоком, и измеряют в Вт/м².

Рассмотрим стационарный процесс распространения теплоты через однородную плоскую однослойную стенку (рис. 1, а).

Рисунок 1. Передача теплоты через плоскую стенку: а - однослойную; б - многослойную

Из закона распространения теплоты путем теплопроводности (закона Фурье) следует:

(3)

где W - количество переданной теплоты, Дж; λ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности, Вт/(м·К); t_с^l - температура одной поверхности стенки, К; t_с^ll - температура другой поверхности стенки, К; δ - толщина стенки, м; F - площадь поверхности стенки, м²; τ - время, с.

Отсюда

(4)

т.е. коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени (1с) в теле через единицу поверхности (1 м²) при падении температуры на 1 К на 1 м пути теплового потока.

Если обе части уравнения (3) разделить на Ft, to получим

(5)

или

(6)

где δ/λ - термическое сопротивление теплопроводности.

Таким образом, плотность теплового потока q прямо пропорциональна разности температур на поверхностях стенки и обратно пропорциональна термическому сопротивлению теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности λ у различных материалов неодинаков и зависит от их свойств, а у газообразных и жидких веществ - от плотности, влажности, давления и температуры этих веществ. При технических расчетах значения λ выбирают по соответствующим справочным таблицам.

Рассмотрим теперь процесс передачи теплоты через многослойную стенку.

На рис. 1, б изображена плоская стенка, состоящая из трех слоев, указаны промежуточные температуры на границах этих слоев, а также толщина слоев и значения коэффициентов теплопроводности для каждого слоя. При стационарном режиме тепловой поток, проходящий через каждый отдельный слой, будет один и тот же. Тогда для каждого слоя в соответствии с формулой (6) можно записать:

Отсюда

Сложив правые и левые части этих уравнений, получим:

Следовательно, плотность теплового потока многослойной стенки

(7)

Из записанных уравнений для трех разностей температур можно получить формулы для вычисления промежуточных температур. Например:

и