, (1.9)
называется среднемассовой температурой (bulk temperature).
Если теплоемкость сp не зависит от температуры
(1.10)
Если ρ = const и cp = const, то
(1.11)
В задачах конвективного теплообмена различают местный и средний температурные напоры.
Средний интегральный температурный напор
(1.12)
или
, (1.13)
где ∆ Т (F) или ∆ Т (x) – местные температурные напоры.
Средний логарифмический температурный напор
, (1.14)
где ∆ Т 1, ∆ Т 2 – значения местного температурного напора в начале и в конце (по ходу потока теплоносителя) теплообменной системы.
Средний арифметический температурный напор
. (1.15)
Для элементарной поверхности закон Ньютона-Рихмана
d Q c = α ∆ Td F, (1.16)
Величина
(1.17)
носит название местной (локальной) плотности теплового потока или тепловой нагрузки поверхности теплоотдачи.
Кроме местной плотности теплового расчета в расчетах используют и среднюю по поверхности плотность теплового потока.
(1.19)
Местный коэффициент теплоотдачи (local heat transfer coefficient) – коэффициент теплоотдачи в данной точке поверхности теплообмена, равный местной плотности теплового потока в этой точке, отнесенной к местному температурному напору
(1.20)
Размерность местного коэффициента теплоотдачи .
Средний коэффициент теплоотдачи (average heat-transfer coefficient) – коэффициент теплоотдачи равный тепловому потоку через поверхность теплообмена, деленному на средний температурный напор и площадь поверхности теплообмена
(1.21)
Средний коэффициент теплоотдачи также имеет размерность Вт/(м2∙К).
Средний по поверхности коэффициент теплоотдачи и местные коэффициенты теплоотдачи могут быть связаны между собой
(1.22)
где F 0 – поверхность теплообмена, по которой проводится осреднение.
Если α является функцией лишь одной координаты, например x то формула (1.22) может быть упрощена
(1.23)
Если местный температурный напор ∆ T является постоянной величиной по поверхности теплоотдачи, то формулы (1.22) и (1.23) примут вид
; (1.24)
. (1.25)
Коэффициент теплоотдачи, как характеристика процесса теплоотдачи, определяющая ее интенсивность, зависит от многих факторов, оказывающих влияние на этот сложный процесс. В частности, α зависит от формы и размеров поверхности теплообмена, гидродинамических особенностей и характеристик движения среды, ее физических свойств и других факторов.
Из гидромеханики известно, что в непосредственной близости к обтекаемой потоком поверхности существует слой жидкости, в котором действует только молекулярный механизм переноса количества движения или импульса. Поперек этого слоя перенос теплоты осуществляется теплопроводностью, поэтому в соответствии с законом Фурье можно записать
(1.26)
где λ – коэффициент теплопроводности жидкости; n – внешняя нормаль к поверхности.
С другой стороны, согласно закону Ньютона-Рихмана,
q c = α (T c – T ж). (1.27)
Поскольку оба уравнения определяют одну и ту же плотность теплового потока, можем записать
(1.28)
или
(1.29)
Равенства (1.28) и (1.29) описывают процесс теплоотдачи на границе, омываемой жидкостью поверхности теплоотдачи (стенки). Уравнение (1.29) называют уравнением теплоотдачи.