1.4 Сложный теплообмен и теплопередача

На практике, как правило, рассмотренные элементарные виды теплообмена (теплопроводность, конвекция и тепловое излучение) протекают одновременно. Сочетание различных видов теплообмена может быть разнообразным с неодинаковой ролью в общем процессе. Такой вид теплообмена называют сложным. Процесс теплообмена между стенкой и омывающим ее газом является типичным примером сложного теплообмена.

В теплотехнических расчетах при сложном теплообмене часто пользуются общим (суммарным) коэффициентом теплопередачи _o, представляющим собой сумму коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, учитывающим действие конвекции, теплопроводности _к и излучения _л, т.е. _о= _к+_л. В этом случае расчетная формула для определения теплового потока q, Вт/м², примет вид

q=(_к+_л)(t-)=_о(t-) (1.11)

В реальных условиях часто тепловой поток от одной жидкости (или газа) к другой передается через стенку (отопительные приборы радиаторы, ограждающие строительные конструкции). Такой суммарный процесс теплообмена, в котором теплоотдача соприкосновением является необходимой составной частью, называется теплопередачей. Расчетные уравнения теплопередачи зависят от формы стенки, разделяющей теплоносители.

Рассмотрим теплопередачу через плоскую однослойную стенку (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5

Примем, что тепловой поток направлен слева направо (t₁>t₂), температуры поверхностей стенки ₁ и ₂ неизвестны. Передача теплоты в рассматриваемом примере представляет собой процесс сложного теплообмена и состоит из следующих этапов: теплоотдача от нагретой среды (жидкости, газа) к левой поверхности стенки, теплопроводность через стенку и теплоотдача от правой поверхности стенки к холодной среде (жидкости, газу). При этом, очевидно, удельные тепловые потоки в трех указанных этапах одни и те же, если стенка плоская и режим теплообмена стационарный.

Напишем три уравнения теплового потока.

1. Уравнение теплоотдачи от нагретой среды (жидкости, газа) к поверхности стенки (формула Ньютона)

q = ₁(₁-t₁-₁).

2. Уравнение теплопроводности через стенку (закон Фурье)

q = (₁₂).

3. Уравнение теплоотдачи от правой поверхности стенки к холодной среде (формула Ньютона)

q = ₂(₂-t₂).

Почленно сложив эти уравнения, получим удельный тепловой поток

. (1.12)

Величина называется коэффициентом теплопередачи и представляет собой мощность теплового потока, проходящего от более нагретой среды к менее нагретой через 1 м² поверхности стенки за 1 ч при перепаде температур между средами 1^оС. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи называется термическим сопротивлением теплопередаче и обозначается R, м^2оС/Вт.

Если стенка не однослойная, а состоит из нескольких слоев различной толщины (рисунок 1.6),будем иметь:

(1.13) , (1.14)

где - сумма термических слоев плоской стенки.

Рисунок 1.6

1.5 Термические сопротивления ограждающих конструкций

При разработке проекта отапливаемого здания уделяется большое внимание конструкции наружных ограждений и оценке их термического сопротивления. Правильно выбранная конструкция ограждения и строго обоснованная величина его термического сопротивления R₀ обеспечивает, с одной стороны, требуемый микроклимат (санитарно-гигиенические условия, необходимые для пребывания человека в помещениях проектируемого здания) и, с другой стороны, экономичность конструкции здания.

Во всех отапливаемых зданиях величина термического сопротивления ограждений, кроме остекления, должна быть такой, чтобы у людей, находящихся вблизи наружных ограждений не увеличивался значительно лучистый теплообмен между телом (одеждой) и наружными ограждениями.

Термическое сопротивление ограждающей конструкции

R₀ = R_в+ R+ R_в.п + R_н, (1.15)

где R_в = 1/_и - сопротивление тепловосприятию внутренней поверхности; R - сумма термических сопротивлений всех материальных слоев ограждения; R_в.п - сумма термических сопротивлений воздушных прослоек; R_п= 1/_н - сопротивление теплоотдаче наружной поверхности, м²⁰С/Вт. Расчетные величины _в, _н и R_в.п устанавливаются СНиП II-3-79*.