В большинстве технологических процессов теплообмен между теплоносителями происходит через некоторую поверхность раздела. Этот вид теплообмена называется теплопередачей. Например, в трубчатых теплообменниках теплота передается через стенку трубы и два слоя загрязнений с обеих сторон стенки.
Основное уравнение теплопередачи. Количество теплоты, передаваемой в единицу времени, определяется основным уравнением теплопередачи.
(12.4)
Численное значение коэффициента теплопередачи К определяется количеством теплоты, которое передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку площадью 1 м 2 в течение 1 с при разности температур теплоносителей 1 К. Размерность коэффициента теплопередачи — Вт/(м2- К).
Соотношение для расчета значения коэффициента теплопередачи можно получить, рассмотрев процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.
На рис. 12.1 показана плоская стенка толщиной , материал которой имеет коэффициент теплопроводности . По одну сторону стенки протекает горячий теплоноситель с температурой в ядре потока, по другую — холодный теплоноситель с температурой . Температуры поверхностей стенки равны и .
|
|
Коэффициент теплопередачи К можно определить (без учета загрязнений с обеих сторон стенки), решив уравнение
Где , — коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю соответственно: — коэффициент теплопроводности стенки; — ее толщина.
Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередачи R, а величина / термическим сопротивлением стенки.
Из уравнения (12.5) следует, что термическое сопротивление теплопередачи
Движущая сила тепловых процессов. Движущей силой тепловых процессов является разность температур взаимодействующих сред. В промышленной аппаратуре теплопередача обычно протекает при переменной температуре теплоносителей. Значения температуры теплоносителей изменяются вдоль поверхности разделяющей их стенки, поэтому в расчетах используют среднюю разность температур
которая и должна войти в основное уравнение теплопередачи (12-4).
Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через поверхность при теплообмене, пропорционально средней разности температур. Таким образом, основное уравнение теплопередачи принимает вид
(12.6)
На рис. 12.2 показан характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при их прямоточном и противоточном движении. Один из теплоносителей охлаждается
|
|
|
от температуры до , другой нагревается от до . При прямотоке разность температур теплоносителей на входе в теплообменник
, а на выходе из теплообменника .
При противоточном движении теплоносителей значения и находят по начальным и конечным значениям температуры горячего и холодного теплоносителей.
При / < 2 средняя разность температур определяется как среднеарифметическая величина:
(12.7)
При более интенсивном теплообмене и больших значениях разности температур, т.е. при / > 2, средняя разность температур будет среднелогарифмической величиной:
(12.8)
При перекрестном токе теплоносителей и смешанном токе в многоходовых теплообменниках
где — поправочный коэффициент к средней разности температур рассчитанной для случая противоточного движения теплоносителей.
Контрольные вопросы
1.Какими способами осуществляется передача теплоты? Приведите примеры.
2.Что представляет собой уравнение теплового баланса?
3.Каков физический смысл коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи и какова их размерность?
4.Что представляет собой процесс теплопередачи? Каков физический смысл и какова размерность коэффициента теплопередачи?
5.Что является движущей силой процессов теплообмена? Как рассчитывается средняя разность температур?