1. Теплопередача через плоские и цилиндрические стенки. Термическое сопротивление теплопередачи через плоские и цилиндрические стенки. Коэффициент теплопередачи; интенсификация теплопередачи.

Теплопередача через плоскую стенку

Передача теплоты от одной подвижной среды (жидкости или газа) к другой через разделяющую их твердую стенку любой формы называется теплопередачей. Примером теплопередачи служит перенос теплоты от дымовых газов к воде через стенки труб парового котла, включающий в себя конвективную теплоотдачу от горячих дымовых газов к внешней стенке, теплопроводность в стенке и конвективную теплоотдачу от внутренней поверхности стенки к воде. Особенности протекания процесса на границах стенки при теплопередаче характеризуются граничными условиями третьего рода, которые задаются температурами жидкости с одной и другой стороны стенки, а также соответствующими значениями коэффициентов теплоотдачи.

Рис. 12.1. Теплопередача через плоскую стенку

Рассмотрим процесс теплопередачи через однородную плоскую стенку толщиной δ (рис. 12.1). Заданы: коэффициент теплопроводности стенки λ, температуры окружающей среды tж1 и tж2, коэффициенты теплоотдачи α1 и α2. Необходимо найти тепловой поток от горячей жидкости к холодной и температуры на поверхностях стенки tс1 и tс2. Плотность теплового потока от горячей среды к стенке определится уравнением (9.14) .

При стационарном режиме этот же тепловой поток пройдет путем теплопроводности через

твердую стенку и будет передан от второй поверхности стенки к холодной среде за счет теплоотдачи: ; .

Перепишем приведенные уравнения в виде:

Складывая левые и правые части полученных равенств, запишем

Отсюда ,

(12.6)

где .

(12.7)

Величина k называется коэффициентом теплопередачи, который выражает количество теплоты, проходящее через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между горячей холодной и горячей жидкостью, равной 1К (размерность Вт/(м2·К)). Величина обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением теплопередачи

(12.8)

Величины и называются термическими сопротивлениями теплоотдачи. Температуры на поверхностях однородной стенки определяются из уравнений:

(12.9)

(12.10)

12.3.Пути интенсификации теплопередачи

При неизменной разности температур между горячим и холодным теплоносителями передаваемый тепловой поток зависит от коэффициента теплопередачи. Так как теплопередача представляет собой сложное явление, рассмотрение путей ее интенсификации связано с анализом частных составляющих процесса. В случае плоской стенки .

Увеличение k может быть достигнуто за счет уменьшения толщины стенки и выбора более теплопроводного материала. Если термическое

сопротивление теплопроводности стенки мало, то при

Отсюда видно, что коэффициент теплопередачи всегда меньше самого малого из коэффициентов теплоотдачи. Следовательно, для увеличения коэффициента теплопередачи нужно увеличивать наименьшее из значений коэффициентов теплоотдачи α1 или α2. Если α1»α2, то необходимо увеличивать и α1 и α2 одновременно.

Если увеличить наименьший коэффициент теплоотдачи не удается, теплообмен можно интенсифицировать путем оребрения стенки со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи.