Остапчук, Рибак Системи технологій

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

Содержание