4.5 Теоретические основы теплопередачи

Теплопередача- теплообмен между двумя жидкостями-теплоносителями, разделенными стенкой. Такой процесс наблюдается в теплообменных (ТО) аппаратах, ограждающих конструкциях зданий и сооружений, в обмуровках высокотемпературных печей и т.д.

Стенки могут быть однослойные, многослойные, с большим термическим сопротивлением и с малым, с воздушными прослойками, которые в одном случае выполняют роль теплоизолятора, в другом - служат для удаления влаги из стен.

Процесс теплопередачи состоит из трех составляющих:

1) теплообмен между греющей средой и одной поверхностью стенки;

2) теплопроводность самой стенки;

3) теплообмен между второй поверхностью стенки и нагреваемой средой.

Теплообмен с любой стороны может быть конвективным или суммарным.

Для однослойной плоской стенки это:

.

Отсюда, уравнение теплопередачи для однослойной плоской стенки:

, где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К), равное количеству тепла, переданного через единицу поверхности в единицу времени от одной жидкости к другой при разности температур между ними в один градус. Таким образом, чтобы вычислить значение коэффициента теплопередачи для плоской стенки, необходимо знать толщину стенки δ, коэффициент теплопроводности λ и значения коэффициентов теплоотдачи α₁ и α₂. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением теплопередачи R = 1/k = 1/α₁ + δ/λ + 1/α₂.

Для многослойной плоской стенки R = 1/k = 1/α₁ + Σ δ_i/λ_i + 1/α₂.

Для однослойной цилиндрической стенки:

Для многослойной цилиндрической стенки:

Для интенсификации теплопередачи от горячей жидкости к холодной через стенку необходимо увеличить коэффициент теплопередачи k, так как поверхность F и разность температур ΔТ зависят только от конструкции системы и физических условий. Коэффициент теплопередачи зависит в основном от коэффициентов теплоотдачи

.

Коэффициент теплопередачи всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи. Быстрый рост коэффициента теплопередачи наблюдается при увеличении меньшего из коэффициентов теплоотдачи. При увеличении большего из коэффициентов теплоотдачи рост коэффициента теплопередачи вначале замедляется, а затем прекращается.

Правила интенсификации:

1. Если один коэффициент теплоотдачи намного больше или меньше другого, то интенсифицировать теплопередачу необходимо путем увеличения меньшего из коэффициентов.

2. Если коэффициенты теплоотдачи примерно равны, то надо увеличивать оба коэффициента.

3. Если меньший коэффициент теплоотдачи нельзя увеличить, то с его стороны делают оребрение – увеличивают площадь.

4. Увеличение коэффициентов теплоотдачи однофазных жидкостей может осуществляться за счет перехода к турбулентному режиму (увеличение скорости, применение волнистой поверхности), но это приводит к увеличению гидравлического сопротивления.

Для снижения коэффициента теплопередачи необходимо увеличить термическое сопротивление системы – нанести слой тепловой изоляции.

4.6 Теоретические основы конвективного теплообмена

Конвекция – перемещение макроскопических частей среды (газа, жидкости), приводящее к переносу массы и теплоты. В реальных условиях конвекция всегда сопровождается теплопроводностью или молекулярным переносом теплоты. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Конвективный теплооб­мен между жидкостью и твердым телом часто называют теплоотдачей.

На процесс теплоотдачи конвекцией влияют:

1. Характер движения жидкости около твердой стенки (свободное или вынужденное – лами­нарное или турбулентное). При ламинарном движении среда течет параллельными струями. В этом случае коэффициент будет наименьшим (это не относится к естественной конвекции). При переходном режиме одновременно со струями начинают срываться вихри. При турбулентном режиме будет наибольший коэффициент теплоотдачи, т.к. здесь наблюдается вихревое движение среды. Чем интенсивнее перемешивание жидкости, тем больше турбулентность потока и тем выше теплоотдача. Режим течения жидкости определяется не только скоростью, но и безразмерным комплексным числом Рейнольдса Re = ωl/υ.

2. Физические свойства или род жидкости. На теплоотдачу влияют плотность, теплоемкость, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, кинематическая вязкость жидкости.

3. Условия теплового режима (например, изменение агрегатного состояния).

4. Температурный напор ΔT – разность температур между твердой стенкой и жидкостью. Чем выше температура температурного напора, тем выше теплоотдача между жидкостью и стенкой.

5. Направление теплового потока Q: при прочих одинаковых условиях теплоотдача от горячей стенки к холодной жидкости больше, чем наоборот.

6. Геометрические размеры тела, которые влияют на толщину пограничного слоя.

7. Направление теплоотдающей поверхности.

Процесс конвективного теплообмена описывается законом Ньютона

, Вт,

где α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К), численно равный количеству теплоты, переда­ваемому от жидкости к твердой поверхности в единицу времен, через единицу поверхности при пе­репаде температур между стенкой и жидкостью в один градус, определяет интенсивность конвективного теплообмена.