Сложный теплообмен и теплопередача

Элементарные виды теплообмена (теплопроводность, конвекция и тепловое излучение) на практике часто протекают одновременно. Конвекция, например, всегда сопровождается теплопроводностью, излучение часто сопровождается конвекцией. Сочетание различных видов теплообмена может быть весьма разнообразным, и роль их в общем процессе неодинакова.

При сложном теплообмене часто пользуются общим коэффициентом теплоотдачи α₀, представляющим собой сумму коэффициентов конвективной теплоотдачи α_к и лучистой теплоотдачи α_л, т.е.:

(8.1)

В этом случае расчетная формула для определения теплового потока q имеет вид:

(8.2)

Если стенка омывается капельной жидкостью, например водой, то α_л = 0.

Процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку называется теплопередачей. Теплопередача зависит от формы стенки, разделяющей теплоносители.

Теплопередача через плоскую однослойную стенку является сложным теплообменом и состоит из трех этапов:

- передача теплоты от горячего теплоносителя t₁ к поверхности стенки путем конвективного теплообмена,

- передача теплоты от одной поверхности стенки к другой путем теплопроводности,

- передача теплоты от поверхности стенки к холодному теплоносителю t₂ путем конвективного теплообмена,

В результате решения этих трех уравнений получим:

(8.3)

(8.4)

где k – коэффициент теплопередачи, характеризующий интенсивность процесса теплопередачи. Численно равен плотности теплового потока, передаваемого через стенку при температурном напоре равном единице.

В процессе теплопередачи плоская стенка может состоять из нескольких разнородных слоев разной толщины, с различными коэффициентами теплопроводности. В этом случае плотность теплового потока определяется:

(8.5)

Плотность теплового потока q_l при теплопередаче между двумя потоками теплоносителей через однослойную цилиндрическую стенку:

q_l = k_l∙π∙(t₁ – t₂), (8.6)

(8.7)

где d₁, d₂ – внутренний и наружный диаметры трубы, м; k_l – линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м∙K).

Коэффициент теплопередачи – чисто расчетная величина, которая определяется коэффициентами теплоотдачи с обеих сторон стенки и ее термическим сопротивлением. Коэффициент теплопередачи всегда меньше α₁, α₂, δ/λ.

В настоящее время разработаны и исследуются самые различные методы интенсификации теплообмена. Принципиально их классифицируют на две категории:

1) активные методы: механическое воздействие на поверхность теплообмена (вращение поверхности, перемешивание жидкости); воздействием на поток электрическим и магнитным полем и др.

2) пассивные методы, в основе которых – воздействие на поток формой поверхности теплообмена: применение вставных интенсификаторов (винтовых и локальных закручивателей потока), различное оребрение поверхности теплообмена и др.