4.5. Теплові процеси

4.5.7. Теплопередача

Теплообміном називають процес передачі теплоти від одного тіла до іншого, необхідною і достатньою умовою для якого слу­жить різниця температур між цими тілами. Мірою теплообміну вважають кількість переданої теплоти. За одиницю кількості теп­лоти в системі СІ прийнято Джоуль.

Речовини, які беруть участь у процесі теплообміну, називають теплоносіями. Речовину з вищою температурою, яка у процесі теплообміну віддає теплоту, називають гарячим теплоносієм, а речовину з нижчою температурою, яка сприймає теплоту, — хо­лодним теплоносієм. Як гарячі теплоносії в промисловості най­частіше використовують водяну пару, гарячу воду, нагріте повітря, димові гази, ропу (розсіл), вугликислоту, аміак і фреони.

159

Є три способи перенесення теплоти: теплопровідність, кон­векція і випромінювання.

Теплопровідністю називають явище перенесення теплової енергії безпосереднім контактом між частинками тіла.

Конвекцією називають процес поширення теплоти в результаті переміщення і перемішування між собою частинок рідини або газу.

Випромінюванням називають процес передачі теплоти від од­ного тіла до іншого поширенням електромагнітних хвиль у про­сторі між цими тілами.

Тепловіддачею називають процес теплообміну між твердою стінкою (тілом) і рідким (газоподібним) середовищем, що її омиває.

Теплопередачею називають процес теплообміну між двома середовищами, розділеними твердою перегородкою.

Теплопровідність. Закон Фур'є. Основне рівняння перенесен­ня теплоти способом теплопровідності за законом Фур'є можна подати для одновимірного потоку так:

(4.20)

Де — швидкість перенесення теплоти або тепловий потік, тобто кількість теплоти, яка передається протягом одиниці часу, Вт;

F — площа перерізу, перпендикулярна до напрямку теп­лового потоку, ;

— температурний градієнт, тобто зміна температури за­лежно від відстані у напрямі осі (напрям, зворотний потоку теплоти), °C/м;

Теплопровідність плоскої стінки. Розглянемо однорідну

стінку товщиною (рис.4.21), коефіцієнт теплопровідності якої сталий і дорівнює .Температура змінюється лише у напрямі осі

, а ізотермічні поверхні розташовуються перпендикулярно до

цієї осі. На зовнішніх поверхнях підтримуються температури .

Виділимо на відстані шар завтовшки , обмежений двома ізотермічними поверхнями. Тоді на підставі закону Фур'є питомий тепловий потік для цього шару буде або .

В результаті інтегрування цього рівняння дістанемо

.

160

Рис. 4.21. Схема теплопровідності

Сталу інтегрування С визначають з рівняння при, ,

Звідки . Оскільки при то

З цього рівняння визначають питомий тепловий потік

.

відношення називають теплопровідністю стінки, а обернену

їй величину — тепловим або термічним опором стінки.

Термічний опір багатошарової стінки, тобто стінки з кількох різнорідних шарів, дорівнює сумі термічних опорів окремих шарів

(4.22)

Конвективний теплообмін. У рідких середовищах і газах теп­ло переноситься в основному за рахунок конвекції (переміщення) частинок, тому і процес теплоти обміну між рідиною і стінкою на-

161

зивають конвективним теплообміном. Під час конвективного теплообміну тепло передається від поверхні твердого тіла до ріди­ни через пограничний шар за рахунок теплопровідності, і від по­граничного шару в масу (ядро) рідини переважно конвекцією. На величину переданого теплоти дуже впливає характер руху рідини.

За природою виникнення розрізняють два види руху рідини: вільний і примусовий.

Вільний рух рідини або природна конвекція виникає внаслідок різниці густин нагрітих і холодних частинок рідини, тобто під дією внутрішніх сил.

Примусовий рух рідини виникає під дією зовнішніх сил (насо­са, вентилятора).

При малих швидкостях руху утворюється струминний харак­тер течії (ламінарний режим), а при значних — невпорядковано-вихровий (турбулентний) режим. Проте у пограничному шарі біля стінки каналу ламінарний режим течії зберігається і для тур­булентного режиму. У випадку турбулентного руху рідини теп­лообмін відбувається значно інтенсивніше, ніж при ламінарному.

Закон Ньютона. Основним законом конвективного теплообмі­ну є закон Ньютона, за яким кількість теплоти Q, що передана про­тягом одиниці часу від теплообмінної поверхні навколишньому се­редовищу або, навпаки, навколишнім середовищем теплообмінній поверхні, прямо пропорційна поверхні теплообміну F і різниці температур між поверхнею стінки

і навколишнім середовищем t

(4.23)

де а — коефіцієнт тепловіддачі, що визначає інтенсивність про­цесу, Вт/(°С).

Коефіцієнт тепловіддачі показує, яка кількість теплоти пере­дається протягом одиниці часу через одиницю теплообмінної по­верхні при різниці між температурами поверхні і навколишнього середовища (рідини або газу) 1°С.

Визначення коефіцієнта тепловіддачі пов'язане із значними труднощами, оскільки він залежить від багатьох факторів: режи­му і швидкості руху рідини, фізичних параметрів рідини, форми і розмірів теплообмінної поверхні. Тому, вивчаючи теплообмін, основну увагу приділяють визначенню коефіцієнта тепловіддачі.

Тепловіддача при вимушеній конвекції. Інтенсивність теп­ловіддачі при вимушеному русі залежить від характеру самого руху. У випадку розвиненого турбулентного руху в трубах і кана-

162

лах {Re > 10 000) розрахункове критеріальне рівняння для визна­чення коефіцієнта тепловіддачі має вигляд

(4,24)

Для критеріїв Nu, Re і Рг за визначальну температуру зазвичай

беруть середню температуру рідини, а для критерію - - температуру стінки. За лінійні розміри в критеріях Nu і ке оеруть внутрішній діаметр труби або еквівалентний діаметр каналу. Вплив напряму теплового потоку враховується відношенням .

Тепловіддача при вільній конвекції. Загальна формула для обчислення середнього коефіцієнта тепловіддачі при визначальній температурі, яка дорівнює середній температурі пограничного шару

,

де t — температура теплоносія в ядрі, має вигляд