Теплопередача (сложный теплообмен)

Рассмотренные выше виды теплообмена на практике по отдельности встречаются редко. Как правило, теплообмен протекает одновременно посредством двух, а чаще трех видов теплообмена. Такой теплообмен называется сложным.

Часто приходится рассчитывать стационарный процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку (рис. 3.21). Такой процесс называется теплопередачей.

Рис. 3.21. Теплопередача через однослойную (я), многослойную (б) и цилиндрическую (в) стенки Процесс передачи теплоты от греющей жидкости с температурой к нагреваемой с температурой /₂ в этом случае складывается из следующих процессов:

• а) теплообмена между греющей жидкостью и стенкой;
• б) передачи теплоты через стенку путем теплопроводности;
• в) теплообмена между стенкой и нагреваемой жидкостью.

При установившемся тепловом состоянии тепловые потоки — от греющей жидкости к стенке, прошедший через стенку, и, наконец, от стенки к нагреваемой жидкости — одинаковы.

Поэтому для плотности теплового потока можно написать:

откуда получим:

Уравнение (3.52) может быть написано так: где At — температурный напор, а

называется коэффициентом теплопередачи. Он характеризует интенсивность процесса теплопередачи от одного теплоносителя к другому через разделяющую их плоскую стенку.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется общим термическим сопротивлением теплопепелачи:

Из этого уравнения следует, что общее термическое сопротивление складывается из частных термических сопротивлений. К ним относятся: 1/а, и 1/а₂ — внешние термические сопротивления теплоотдачи соответственно от горячей жидкости к стенке и от поверхности стенки к холодной жидкости; АУ5 — внутреннее термическое сопротивление теплопроводности стенки.

Общее количество тепла, переданное через одноили многослойную плоскую стенку поверхностью F, м², будет равно:

В случае многослойной плоской стенки (рис. 3.21, б) формула (3.54) имеет вид:

или Коэффициенты теплоотдачи а, и а₂ входят в состав коэффициента теплопередачи и следует четко видеть разницу между этими понятиями.

Формулы (3.54), (3.56) широко применяют на практике, и ими пользуются при расчете теплообменных аппаратов.

При теплопередаче через тонкие металлические стенки величина Ъ/Х принимается равной нулю, и тогда формула (3.54) приобретает вид:

В случае цилиндрической стенки (рис. 3.21, в) уравнение теплового потока, отнесенного к 1 м длины трубы:

где К_{ — линейный (т.е. отнесенный к 1 м длины трубы) коэффициент теплопередачи:

Величину, обратную К, т. е. R_{ = /К_п называют линейным термическим сопротивлением. В случае многослойной стенки расчетная формула для R_t имеет вид:

Следует заметить, что если передача теплоты от жидкости (газа) к стенке осуществляется как за счет теплоотдачи конвекцией, так и излучением (топки котлов, камеры сгорания двигателей и пр.), то суммарная плотность теплового потока от жидкости к стенке составляет:

Я = ЧК+<7л =a|('l-'2). (3.63).

где q_K, q_i — конвективная и лучистая составляющие плотности теплового потока, а, = а_к + а_и, где

а_и — условный коэффициент теплоотдачи, характеризующий передачу теплоты от жидкости к стенке излучением.

Теплопередача через ребристую стенку. Оребренные поверхности используются для интенсификации теплообмена. С помощью ребер увеличивается поверхность нагрева (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Теплопередача через ребристую стенку

В связи с тем, что поверхность теплообмена с обеих сторон рассматриваемой стенки неодинакова, расчет величин К и q можно выполнять для единицы гладкой или оребренной поверхности.

Отношение площади оребрения к площади гладкой стенки называется коэффициентом оребрения т = FJF_V

В этом случае коэффициент теплопередачи гладкой поверхности стенки (см. рис. 3.22):

для оребренной поверхности:

Ребристые поверхности широко применяют в теплообменных аппаратах для интенсификации теплопередачи, где коэффициент теплоотдачи мал; с помощью ребер увеличивается поверхность нагрева.

Контрольные вопросы.

• 1. В чем заключается процесс теплообмена и его физическая сущность? Перечислите виды теплообмена.
• 2. Объясните процесс теплопроводности и запишите общую формулу теплопроводности в дифференциальной форме.
• 3. В чем заключается сущность конвективного теплообмена и метод решения с помощью теории подобия и критериев подобия.
• 4. Какие существуют частные случаи естественной и вынужденной конвекции и принципы определения коэффициента теплоотдачи?
• 5. Опишите физические процессы теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества (кипение и конденсация).
• 6. Назовите основные законы лучистого теплообмена.
• 7. Как происходит теплообмен излучением между двумя телами?
• 8. Назовите особенности излучения газов.
• 9. Опишите физическую сущность сложного теплообмена или теплопередачи от одного теплоносителя к другому.
• 10. Как осуществляется процесс интенсификации теплообмена?