Теплопередача.

В теплообмінних апаратах відбувається передача теплової енергії від середовища з вищою температурою до середовища з нижчою температурою. Як правило ці середовища розділені одно- або багатошаровою стінкою. Всередині стінки процес передачі теплоти здійснюється шляхом теплопровідності. Біля поверхонь стінки теплообмін здійснюється шляхом конвекції та інфрачервоного випромінення. З практичної точки зору важливо вміти визначати кількість теплоти, що передається від одного середовища до іншого.

Розглянемо плоску стінку з поверхнею F, товщиною δ із матеріалу, що має коефіцієнт теплопровідності λ. Стінка зліва омивається потоком нагрітої рідини з температурою , а з правого боку – холодною рідиною з температурою . В стаціонарному режимі на поверхні стінки встановляться постійні температури та , рис.1.

Кількість тепла. що передається від нагрітого середовища рівна кількості теплоти, що передається через стінку і рівна кількості теплоти, що надходить до охолодженого середовища. Математично це можна записати у вигляді системи рівнянь

(1)

Виразивши з цих рівнянь різниці температур і додавши їх одержимо рівняння

(2)

Величину називають коефіцієнт теплопередачі, а обернену величину – опір теплопередачі . При розрахунку багатошарових стінок необхідно враховувати термічний опір усіх шарів стінки. Тому

(3)

Отже з урахуванням зроблених позначень тепловий потік, що проходить крізь стінку теплообмінного апарата, Вт

. (4)

Головною рушійною силою процесу теплообміну є різниця температур теплообмінних середовищ. В теплообмінних апаратах різниця температур не постійна, вона змінюється по ходу теплоносіїв. Гріючий теплоносій поступово охолоджується, а нагрівний – нагрівається. Для урахування цих особливостей теплообміну застосовують середньоарифметичну або середньо логарифмічну різниці температур.

Середньоарифметична різниця температур використовується при невеликій інтенсивності теплообмінних процесів і малих змінах температур теплообмінних середовищ

, (5)

де різниця теплоносіїв на ході та на виході з теплообмінника, ^ОС.

При інтенсивному теплообміні і великих різницях температур застосовують середньо логарифмічну різницю температур

, (6)

де максимальна і мінімальна різниці теплоносіїв на ході та на виході з теплообмінника, ^ОС.

Теплопередача при змінних температурах залежить від взаємного напрямку руху теплоносіїв відносно один-одного. За цим критерієм виділяють прямоточні, протитечія та перехресні теплообмінники (рис).

Прямотечію застосовують у тих випадках, коли перегрівання чи переохолодження теплоносіїв вкрай не бажане та при високих температурах тепло передаючої поверхні.

Перехресна течія застосовується при великій різниці температур теплоносіїв, у випадку обмеження простору для розташування теплообмінних поверхонь. У цьому випадку застосовується середньоарифметична різниця температур.