Содержание

3. Теплопередача

         В тепловых процессах теплоносители, участвующие в передаче теплоты, часто разделены перегородкой (стенкой аппарата, стенкой трубы и т.п.). Процесс теплопередачи включает перенос теплоты от ядра потока первого теплоносителя к стенке (теплоотдача), через стенку (теплопроводность) и от стенки к ядру потока второго теплоносителя (теплоотдача). Количество передаваемой теплоты при этом определяется основным уравнением теплопередачи:

для стационарного режима

;                                             (3.1)

для нестационарного режима

,                                           (3.2)

где Q (Q^/) – тепловой поток (количество теплоты), переданное в процессе теплопередачи, Вт (Дж);  F – поверхность теплообмена, м²; ∆t_ср - движущая сила процесса теплопередачи, ^оС;  τ – время, с;  К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К).

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через 1 м² теплообменной поверхности при разности температур между теплоносителями 1К.

При передаче теплоты через однослойную плоскую стенку, коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле:

.                                          (3.3)

Для многослойной стенки, состоящей из n слоев:

,                                          (3.4)

где δ_ст – толщина стенки, м; λ_ст – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м·К); α₁ и α₂ - коэффициенты  теплоотдачи, соответственно, от горячего теплоносителя к разделяющей стенке и от стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м²·К);  - сумма термических сопротивлений всех слоев стенки, включая термические сопротивления загрязнений внутренней и наружной стенок теплообменной трубки r_заг.1, r_заг.n+1, (м²·К)/Вт. Для воды можно принять .

         При расчете средней движущей силы процесса теплопередачи целесообразно использовать график изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена (рис.3.1) и (рис.3.2).

   Рис.3.1. Изменение температуры                     Рис.3.2. Изменение температуры                                                                        

теплоносителей вдоль поверхности                теплоносителей вдоль поверхности                                                                                        

   теплообмена при движении их                        теплообмена при движении их                                                                            

                 противотоком                                                        прямотоком

Средняя движущая сила процесса теплопередачи при прямоточном и противоточном движении теплоносителей определяется следующим образом:

,                              (3.5)

                              (3.6)

где  ∆t_δ  и  ∆t_м – разность температур теплоносителей на концах теплообменника.

         В тепловых процессах за определяющую температуру принимается средняя температура теплоносителя, которая рассчитывается следующим образом. Выбирается теплоноситель, у которого меняется температура на меньшее число градусов. Средняя температура его рассчитывается как среднеарифметическая:

                      а) если ;                    (3.7)

                      б) если .                     (3.8)

Температура теплоносителя изменяющегося на большее число градусов определяется:

                                                      а)  ;                                       (3.9)

                                                      б)  .                                       (3.10)

При рассчитанных средних температурах находят по справочникам теплофизические свойства теплоносителей (с, μ, l, ρ).

Во многих случаях температура стенки является неизвестной, что приводит к некоторым затруднениям при использовании уравнений (1.5), (1.6), (1.8), (1.10). Поэтому при расчетах температурами стенок предварительно задаются, исходя из температурной схемы процесса и режима движения жидкости.

Распределение температуры при передаче теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку при установившемся режиме движения изображено на рис.3.3.

Если согласно рис.3.3 ввести обозначения  и , то в первом приближении средние движущие силы процесса теплоотдачи для горячей и холодной жидкости могут быть связаны выражением:

~.                                               (3.11)

При этом полный температурный напор с учетом термического сопротивления стенки может быть приближенно рассчитан по уравнению:

.                                    (3.12)

Рис.3.3. Распределение температур при теплопередаче

Решая совместно уравнения (3.11) и (3.12), находят значения  и  для предварительной оценки данных частных температурных напоров:

,                                        (3.13)

.                                       (3.14)

Вычисленные значения ∆t₁ и ∆t₂ затем проверяются из соотношения:

,                                   (3.15)

откуда:

,                                                 (3.16)

.                                                (3.17)

         Если принятые температурные напоры не совпадают с рассчитанными (различие составляет более 5%), то ими перезадаются и расчет последовательно повторяют до совпадения принятых величин с расчетными.

         В тех случаях, когда процесс теплообмена проводится периодически, т.е. когда вся нагреваемая или охлаждаемая жидкость помещена в одном сосуде и обменивается теплотой с другой жидкостью, протекающей вдоль разделяющей их стенки, процесс теплопередачи будет неустановившимся и температуры меняются непрерывно вдоль поверхности и во времени.

Движущую силу процесса теплопередачи вычисляют:

- в случае охлаждения жидкости

,                          (3.18)

где   - начальная температура охлаждаемой жидкости, °С; t_1к – конечная температура охлаждаемой жидкости, °С; t_2н, t_2к – начальная и конечная температура охлаждающей жидкости, °С; t – температура охлаждаемой жидкости в любой момент времени, °С;

- в случае нагревания жидкости

,                           (3.19)

где   - начальная и конечная температуры греющей жидкости, °С; t_2н, t_2к – начальная и конечная температура нагреваемой жидкости, °С; t – температура нагреваемой жидкости в любой момент времени, °С.