1.3.2. Конвективный теплообмен

Встречается два вида конвективного теплообмена - конвективный теплообмен в объеме жидкости или газа и конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью твердого или жидкого тела.

Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью тела называется теплоотдачей.

Определим плотность теплового потока конвекцией от жидкости с температурой t_ж к стенке с температурой t_с. Опытами установлено, что температура греющей жидкости резко уменьшается в тонком слое у стенки, называемом тепловым пограничным слоем.

Для расчета теплового потока необходимо знать распределение температур в пограничном слое

.

Определить это распределение как теоретически, так и экспериментально сложно, поэтому Ньютоном предложено удельный тепловой поток определять по формуле:

, (1.8)

где  - коэффициент пропорциональности названный коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м·град.). Физический смысл коэффициента теплоотдачи легко установить из соотношения:

.

Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность процесса переноса теплоты и показывает количеству теплоты отдаваемой жидкостью одному квадратному метру стенки за одну секунду при разности их температур в один градус.

1.3.3. Лучистый теплообмен

Полная энергия, излучаемая единицей поверхности абсолютно черного тела:

. (1.9)

Здесь - постоянная Больцмана; - плотность теплового потока излучением; T=273+t – абсолютная температура. Реальные тела излучают меньше абсолютно черного тела. В расчетах это учитывается введением эмпирического множителя , называемого степенью черноты. Тогда энергия, излучаемая реальным телом:

. (1.10)

Если тело имеет температуру Т₁ и окружено другими телами с температурой Т₂ , то обмен излучением энергией подчиняется соотношению

. (1.11)

Формула справедлива, если площадь тела F₁ мала по сравнению с площадью F₂ всех окружающих тел, то есть F₁/F₂ , близко к нулю.

1.3.4. Теплопередача

Теплопередачей называется перенос теплоты от одной жидкости к другой через разделяющую стенку. На рисунке 1 показана плоская стенка толщиной .

Рис.1.2. Теплопередача через плоскую стенку

Определим удельный тепловой поток от жидкости с температурой к жидкости с температурой .

При установившемся состоянии количество теплоты, переданное от горячей жидкости к стенке, равно количеству теплоты, прошедшему в стенке, и количеству теплоты, отданному от стенки к холодной жидкости. Следовательно, для плотности теплового потока справедливы следующие выражения:

; ; .

Из этих уравнений определяются частные температурные напоры

; ; .

Складывая их, получим полный температурный напор

,

из которого определяется значение плотности теплового потока

(1.12)

и значение коэффициента теплопередачи

. (1.13)

Величина обратная коэффициенту теплопередачи называется общим термическим сопротивлением теплопередачи

.

Из этого соотношения следует, что общее термическое сопротивление равно сумме частных:

,

где, =1/₁ – термическое сопротивление теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя;  - термическое сопротивление теплопроводности (стенки); =1/₂ – термическое сопротивление со стороны холодного теплоносителя.

Для многослойных стенок выражение, из которого определяется плотность теплового потока, имеет вид:

, (1.14)

. (1.15)