Теплопередача через плоскую стенку. Коэффициент теплопередачи.

Перенос теплоты от одной подвижной среды (горячей) к другой (холодной) через однослойную или мноослойную твердую стенку любой формы называется   теплопередачей.

Примерами теплопередачи могут служить передача теплоты от греющей воды к воздуху помещения через стенки нагревательных батарей центрального отопления, передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных труб в паровых котлах, пере­дача теплоты от конденсирующегося пара к воде че­рез стенки труб конденсатора, передача теплоты от раскаленных газов к воде через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания и т. д. Во всех рассматриваемых случаях стенка служит проводником теплоты и изготавливается из материала с высокой теплопроводностью. В других случаях, когда требуется уменьшить потери теплоты, стенка должна быть изолятором и изготавливаться из материала с хоро­шими теплоизоляционными свойствами. Стенки встречаются самой разнообразной формы: в виде плоских или ребристых листов, в виде пучка цилиндрических, ребристых или игольчатых труб, в виде шаровых по­верхностей и т. д.

Теплопередача представляет собой весьма сложный процесс, в котором тепло передается всеми способа­ми: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Действительно, при наличии стенки процесс тепло­передачи складывается из трех звеньев (рис. 64).

  Пер­вое звено - перенос теплоты конвекцией от горячей среды к стенке. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностыо и часто - лучеиспусканием. Второе звено - перенос теплоты теплопроводностью черезстенку. При распространении теплоты в пористых телах теплопроводность связана с конвекцией и излучением в порах. Третье звено - перенос теплоты конвекцией от второй поверхности стенки к холодной среде. В этой пе­редаче теплоты конвекция также сопровождается теп­лопроводностью и часто излучением.

Количество теплоты, переданной горячей средой стенке путем конвективного теплообмена, определяет­ся по уравнению Ньютона - Рихмана: где α ₁ - коэффициент теплоотдачи от горячей среды с постоянной температурой г, к поверхности стенки, учи­тывающий все виды теплообмена; F - расчетная поверх­ность плоской стенки, м^г.

Тепловой поток, переданный теплопроводностью через плоскую стенку, определяется по уравнению

Тепловой поток, переданный от второй поверхности стенки к холодной среде, определя­ется по той же формуле конвективного теплообмена Ньютона-Рихмана: - Ы, где а_г - коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к хо­лодной среде с постоянной температурой ts. Сколько теплоты воспринимает стенка при стационарном ре­жиме, столько же она и отдает.

Числовое значе­ние коэффициента теплопередачи вы­ражает количество теплоты, проходя­щей через единицу поверхности стенки в единицу времени от горячей к холод­ной среде при разности температур между    ними 1 ˚ C. Уравнение

вт / м ² называют уравнением теплопередачи.

БИЛЕТ -20

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН. ЗАКОН ТЕПЛООТДАЧИ (ЗАКОН НЬЮТОНА-РИХМАНА). ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ, ТЕПЛОВОЙ И ДИФФУЗИОННЫЙ ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОИ.

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

В промышленности и сельскохозяйственном произ­водстве широко применяются различные теплообменные устрой­ства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой (обогрев зданий и сооружений с помощью отопительных приборов, нагрев молока при его пастеризации, нагрев воды и генерация пара в котельных установках, нагрев воздуха в кало­риферах и отопительно-вентиляциоиных агрегатах и т. д.). В этих устройствах, как правило, происходит теплообмен меж­ду движущимися средами через поверхность раздела фаз или разделяющую их стенку. Движущаяся среда, используемая для переноса теплоты, называется теплоносителем. Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью раздела с другой средой — твердым телом (например, стенкой), жид­костью или газом -называется теплоотдачей. Поверхность раздела, через которую происходит перенос теплоты, носит назва­ние поверхности теплообмена или теплоотдающей поверхности.

Интенсивность теплоотдачи в большинстве случаев зависит от скорости движения теплоносителя относительно поверхности теплообмена. Движение теплоносителя может быть свободным или вынужденным. Под свободным движением или свободной конвекцией, понимают движение жидкости в системе под дейст­вием неоднородного поля внешних массовых сил (сил гравита­ционного, магнитного, электрического или инерционного поля), приложенных к частицам жидкости внутри системы. Вынужден­ное движение или вынужденная конвекция происходит под дей­ствием внешних поверхностных сил, приложенных на границах системы, или однородного поля массовых сил. приложенных к жидкости внутри системы, или за счет запаса (кинетической энергии, сообщенной жидкости вне системы.

Свободная конвекция жидкости* на практике часто происхо­дит за счет разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости, находящихся в поле гравитационных сил {гравита­ционная свободная конвекция), а вынужденная конвекция — в результате действия насоса или вентилятора.

ЗАКОН ТЕПЛООТДАЧИ (ЗАКОН НЬЮТОНА-РИХМАНА).

Для количественного описания теплоотдачи широ­ко используется закон теплоотдачи, согласно которому плот­ность теплового потока, переносимого путем конвекции от по­верхности теплообмена в среду (или, наоборот, из среды к по­верхности теплообмена), пропорциональна разности температур поверхности теплообмена** (t_c) и среды, (t _ж), взятой по абсо­лютной величине:

где q — плотность теплового потока, Вт/м².

Коэффициент пропорциональности а в уравнении (10.1), имеющий размерность Вт/(м²-К), называется коэффициентом теплообмена***. Коэффициент теплообмена характеризует ин­тенсивность теплоотдачи между поверхностью теплообмена и теплоносителем. Он равен плотности теплового потока¹ (у по­верхности теплообмена), отнесенной к температурному напору Дперепаду) между средой и поверхностью.

* В теплотехнике жидкостью обычно называют как собственно капельную жидкость, так и газ.

** Поверхности стенки. *** Широко используется также термин «коэффициент теплоотдачи»,

Различают местный (локальный) коэффициент теплообмена, который относится к рассматриваемой точке поверхности теп­лообмена, и средний коэффициент теплообмена а, равный всему тепловому потоку Ф (Вт) через поверхность теплообмена А (м²). деленному на средний температурный напор Δ t _ср и площадь по­верхности теплообмена:

Коэффициент теплообмена — важный теплофизический пара­метр, необходимый для расчета теплообмен'ного аппарата. В об­щем случае он зависит от физических свойств жидкости, кон­фигурации и размеров поверхности теплообмена и от условий обтекания ее жидкостью. Коэффициент теплообмена — это рас­четная величина, находимая обычно из уравнений, полученных экспериментально.