Многослойную стенки

Перенос теплоты от одной подвижной среды (горячей) к другой (холодной) через однослойную или многослойную твердую стенку любой формы называется теплопередачей.

Примерами теплопередачи могут служить: передача теплоты от греющей воды к воздуху помещения через стенки нагревательных приборов центрального отопления, передача теплоты от дымовых газов к во­де через стенки кипятильных труб в паровых котлах, передача теплоты от конденсирующе­гося пара к воде через стенки труб конден­сатора, передача теплоты от нагретых газов к воде через стенку цилиндра двигателя внут­реннего сгорания и. т. д. Во всех рассматри­ваемых случаях стенка служит проводником теплоты и изготавливается из материала с вы­сокой теплопроводностью.

В других случаях, когда требуется умень­шить потери теплоты, стенка должна быть изолятором и изготавливаться из материала с хорошими теплоизоляционными свойствами.

Стенки встречаются самой разнообразной формы: в виде плоских или ребристых листов, в виде пучка цилиндрических, ребристых или игольчатых труб, в виде шаровых поверхностей и т. д.

Теплопередача представляет собой весьма сложный процесс, в ко­тором теплота передается всеми способами: теплопроводностью, кон­векцией и излучением.

Действительно, при наличии стенки процесс теплопередачи скла­дывается из трех звеньев (рис. 7.1). Первое звено — перенос теплоты конвекцией от горячего теплоносителя к стенке. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью и часто — лучеиспусканием. Вто­рое звено — перенос теплоты теплопроводностью через стенку, При распространении теплоты в пористых телах теплопроводность связана с конвекцией и излучением в порах. Третье звено — перенос теплоты конвекцией от второй поверхности стенки к холодному теплоносителю. В этой передаче теплоты конвекция также сопровождается теплопро­водностью и часто излучением.

Особенности протекания процесса на границах стенки при теплопередачи характеризуется граничными условиями III рода, которые задаются значением температур жидкостей с одной и другой стороны стенки, а также соответствующими значениями коэффициентов теплоотдачи α₁ и α₂.

Рис. 7.1. Схема теплопередачи через плоскую стенку

Количество теплоты, переданной горячим теплоносителем стенке путем конвективного теплообмена, определяется по уравнению Нью­тона - Рихмана:

(7.1)

,

где — коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя с по­стоянной температурой t₁ к поверхности стенки, учитывающий все виды теплообмена; F — расчетная поверхность плоской стенки, м².

Тепловой поток, переданный теплопроводностью через плоскую стенку, определяется по уравнению

(7.2)

.

Тепловой поток, переданный от второй поверхности стенки к хо­лодному теплоносителю, определяется по той же формуле конвектив­ного теплообмена Ньютона—Рихмана:

	(7.3)

,

где — коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к хо­лодному теплоносителю с постоянной температурой t₂.

Величины Q в уравнениях (7.1), (7.2) и (7.3) одинаковы. Сколько теплоты воспринимает стенка при стационарном режиме, столько же она и отдает.

Решая три уравнения переноса теплоты относительно разностей температур, имеем:

+

Складывая почленно полученные равенства, получим

(7.4)

или плотность теплового потока равна

(7.5)

В уравнениях (7.4) и (7.5) величина обозначается бук­вой К, имеет размерность Вт/(м^{2 .} К) и называется коэффициентом теплопередачи:

(7.6)

.

Тогда

или

(7.7)

.

Числовое значение коэффициента теплопередачи выражает коли­чество теплоты, проходящей через единицу поверхности стенки в еди­ницу времени от горячего к холодному теплоносителю при разности температур между ними в 1°.

Полученное уравнение (7.7) называют уравнением теплопередачи.

Для определения К требуется предварительное определение и , которые в большинстве случаев являются величинами сложными; они учитывают передачу теплоты конвекцией и излучением:

Значение К всегда меньше наименьшего .

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи,

(7.8)

называется общим сопротивлением теплопередачи через однослойную плоскую стенку. Эта величина имеет размерность (м^2.К) /Вт. Здесь и – сопротивления теплоотдачи; — термическое со­противление стенки.

В случае передачи теплоты через многослойную плоскую стенку в знаменателе формул (7.4) и (7.5) нужно подставить сумму термических сопротивлений всех слоев:

(7.9)

Коэффициент теплопередачи через многослойную плоскую стенку равен

(7.10)

Общее термическое сопротивление через многослойную плоскую стенку

(7.11)

.

Температуры на поверхностях плоской стенки определяем из сле­дующих уравнений:

(7.12)

При известных и К температуры поверхностей плоской стенки мож­но найти из формул:

,

,

(7.13)