Сложный теплообмен. Теплопередача

Сложным теплообменом называется совместный перенос теплотытеплопроводностью, конвекцией и излучением.

Процесс теплообмена в реальных условиях всегда является сложным. Однако, учитывая, что каждый способ передачи теплоты подчиняется сво-им законам, расчет сложного теплообмена выполняется раздельно по каж-дому виду теплообмена, затем определяется суммарный эффект передачи теплоты.

Следует отметить, что теплообмен в газовой среде и на поверхности тел может происходить всеми тремя способами, в жидкостях отсутствует теплообмен излучением, а в твердых телах имеет место только теплопро-

водность. В конкретных случаях, учитывая суммарный эффект переноса те-плоты, можно сложный теплообмен условно свести к одному виду передачи теплоты. Например, в движущихся средах обычно пренебрегают теплопро-водностью ввиду ее незначительности в суммарной передаче теплоты.

Пренебрегают также излучением газовых потоков, если невелика их температура (200-250 °С) и незначительна концентрация излучающих компонентов (СО ₂, Н ₂ О).

Одним из видов сложного теплообмена является теплопередача — про-цесс теплообмена между двумя подвижными средами, разделенными твердой стенкой. Как и всякий вид теплообмена, теплопередача имеет место, если тем-пературы сред различны. При этом происходит последовательный перенос те-плоты от горячей среды к одной поверхности стенки, затем через твердую стенку к противоположной, от последней — к холодной среде (рис. 3.6).

Если температура обеих сред остается постоянной во времени, то процесс теплопередачи стационарен, при этом на границах раздела фаз (на

поверхностях стенок) также устанавливается постоянная температура.
Расчетное уравнение теплопередачи имеет следующий вид:
где Q — тепловой поток в единицу времени, Вт; F — площадь поверхно-
сти теплообмена, м2; t 1 — средняя температура горячей среды, К; t 2	—
средняя температура холодной среды, К;	t — температурный напор,	К;
k —коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К).

а) _б)

Рис. 3.6. Теплопередача через однослойную стенку: а — плоскую; б — цилиндрическую 43

Это уравнение является формальным расчетным приемом, перенося-щим все трудности расчета теплопередачи на определение значения k. В действительности тепловой поток зависит от распределения температур и физических свойств среды и поверхностей, находящихся в тепловом взаимодействии.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется терми-

ческим сопротивлением теплопередаче, т.е. R 1/ k.

Поскольку при теплопередаче осуществляется последовательный пе-реход теплоты от одной среды в другую через разделяющие их поверхно-сти, то сопротивление теплопередаче равно сумме сопротивлений тепло-передаче через границы раздела фаз и стенку, расположенную на пути рас-пространения тепловой энергии:

где R ₁ — термическое сопротивление теплопередаче от первой среды к по-верхности стенки, R ₁ = 1/ α ₁; R_ст — термическое сопротивление стенки, равное сумме сопротивлений ее слоев, R_ст = δ _ст / λ _ст; R ₂ — термическое со-противление теплопередаче от стенки ко второй среде, R ₂ = 1/ α ₂.

Так как на поверхности перенос теплоты осуществляется конвекцией и излучением, то коэффициенты теплоотдачи α ₁ и α ₂ должны учитывать суммарный эффект теплопередачи.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие виды передачи теплоты вам известны?

2. Теплопроводность. Дайте определение и поясните физический смысл.

3. В чем заключается сущность конвективного теплообмена?

4. В чем заключается сущность лучистого теплообмена?

5. Теплопередача. Дайте определение и поясните физический смысл.