Коэффициент теплопередачи и коэффициент теплопроводности

Теплопроводность.

Так что же такое теплопроводность? С точки зрения физики теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Можно сказать проще, теплопроводность – это способность материала проводить тепло. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Передача тепла происходит за счет передачи энергии при столкновении молекул вещества. Происходит это до тех пор, пока температура внутри тела не станет одинаковой. Такой процесс может происходить в твердых, жидких и газообразных веществах.

На практике, например в строительстве при теплоизоляции зданий, рассматривается другой аспект теплопроводности, связанный с передачей тепловой энергии. В качестве примера возьмем “абстрактный дом”. В “абстрактном доме” стоит нагреватель, который поддерживает внутри дома постоянную температуру, скажем, 25 °С. На улице температура тоже постоянная, например, 0 °С. Вполне понятно, что если выключить обогреватель, то через некоторое время в доме тоже будет 0 °С. Все тепло (тепловая энергия) через стены уйдет на улицу.

Чтобы поддерживать температуру в доме 25 °С, нагреватель должен постоянно работать. Нагреватель постоянно создает тепло, которое постоянно уходит через стены на улицу.

Коэффициент теплопроводности.

Количество тепла, которое проходит через стены (а по научному – интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности) зависит от разности температур (в доме и на улице), от площади стен и теплопроводности материала, из которого сделаны эти стены.

Для количественной оценки теплопроводности существует коэффициент теплопроводности материалов. Этот коэффициент отражает свойство вещества проводить тепловую энергию. Чем больше значение коэффициента теплопроводности материала, тем лучше он проводит тепло. Если мы собираемся утеплять дом, то надо выбирать материалы с небольшим значением этого коэффициента. Чем он меньше, тем лучше. Сейчас в качестве материалов для утепления зданий наибольшее распространение получили утеплители из минеральной ваты, и различных пенопластов. Набирает популярность новый материал с улучшенными теплоизоляционными качествами – Неопор.

Коэффициент теплопроводности материалов обозначается буквой ? (греческая строчная буква лямбда) и выражается в Вт/(м2*К). Это означает, что если взять стену из кирпича, с коэффициентом теплопроводности 0,67 Вт/(м2*К), толщиной 1 метр и площадью 1 м2., то при разнице температур в 1 градус, через стену будет проходить 0,67 ватта тепловой энергии. Если разница температур будет 10 градусов, то будет проходить уже 6,7 ватта. А если при такой разнице температур стену сделать 10 см, то потери тепла будут уже 67 ватт. Подробней о методике расчета теплопотерь зданий можно посмотреть здесь.

Следует отметить, что значения коэффициента теплопроводности материалов указываются для толщины материала в 1 метр. Чтобы определить теплопроводность материала для любой другой толщины, надо коэффициент теплопроводности разделить на нужную толщину, выраженную в метрах.

В строительных нормах и расчетах часто используется понятие “тепловое сопротивление материала”. Это величина обратная теплопроводности. Если, на пример, теплопроводность пенопласта толщиной 10 см – 0,37 Вт/(м2*К), то его тепловое сопротивление будет равно 1 / 0,37 Вт/(м2*К) = 2,7 (м2*К)/Вт.

Коэффициент теплопроводности материалов.

Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов применяемых в строительстве.

Одним из наиболее распространенных на практике видов сложного теплообмена является перенос тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. В этом случае тепло от одного теплоносителя к стенке и от стенки к другому теплоносителю передается конвекцией (теплоотдачей), а через стенку – теплопроводностью. Такой способ переноса тепла получил название теплопередачи, а стенка – поверхности теплопередачи.

Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи

Количество тепла, передаваемое от одного теплоносителя к другому через стенку, определяется основным уравнением теплопередачи:

, (7.165)

где – разность температур теплоносителей.

В этом уравнении коэффициент теплопередачи Kявляется лишь количественной, чисто расчетной характеристикой процесса, зависящей от интенсивности переноса тепла на отдельных его стадиях:

– перенос тепла от горячего теплоносителя к стенке ();

– перенос тепла от стенки к холодному теплоносителю ();

– перенос тепла через стенку ().

Таким образом, он является функцией:

. (7.166)

Численная величина коэффициента теплопередачи определяет количество тепла, которое передается от одного теплоносителя к другому в единицу времени через разделяющую их стенку площадью 1 м 2 при разности температур между теплоносителями 1 градус:

.

Расчет коэффициента теплопередачи является одной из основных задач поверхностного теплообмена. Его знание необходимо, когда требуется найти поверхность теплопередачи при известных Qи, а также когда необходимо определениеQ или одной из температур теплоносителей при известной поверхности нагрева.

Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи, полученные практически для различных случаев теплообмена, представлены в табл. 7.4.

Таблица 7.4 – Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи [Вт/м 2 ·К]

От газа к газу (при невысоких давлениях)

От газа к жидкости (газовые холодильники)

От конденсирующегося пара к газу

От жидкости к жидкости (вода)

От жидкости к жидкости (углеводороды, масло)

От конденсирующегося пара к воде

От конденсирующегося пара к органическим жидкостям (подогреватели)

От конденсирующегося пара органических веществ к воде (конденсаторы)

От конденсирующегося пара к кипящей жидкости (испарители)

Взаимная связь между коэффициентом теплопередачи, с одной стороны, и коэффициентами теплоотдачи и теплопроводности, с другой, зависит от геометрической формы стенки, разделяющей теплоносители.

Теплопередача через плоские, цилиндрические и сферические стенки при установившемся процессе

Рисунок 7.20 – Характер изменения температур при теплопередаче через плоскую стенку

Теплопередача через плоскую стенку. На рис. 7.20 показана плоская стенка толщиной, материал которой имеет коэффициент теплопроводности. По одну сторону стенки движется теплоноситель с температуройt₁(в ядре потока), по другую сторону – теплоноситель с температуройt₂. Температуры поверхностей стенкии; коэффициенты теплоотдачии;.

При установившемся процессе количество тепла, передаваемого в единицу времени через площадь Fот ядра потока горячего теплоносителя к стенке, равно количеству тепла, передаваемого через стенку и от стенки к ядру потока холодного теплоносителя. Это количество тепла можно определить по любому из соотношений:

Из этих соотношений:

(7.167)

Сложив левые и правые части равенств (7.167), получим

(7.168)

Из сопоставления уравнений (7.165) и (7.168) следует, что

, (7.169)

или . (7.170)

Величина , обратная коэффициенту теплопередачи, носит название термического сопротивления теплопередаче. Величиныиявляются термическими сопротивлениями теплоотдаче, а– термическим сопротивлением стенки. Таким образом, термическое сопротивление теплопередаче равно сумме термических сопротивлений теплоотдаче и стенки, т.е. общее термическое сопротивление равно сумме частных. Поэтому, если стенка состоит из нескольких слоев толщинойи коэффициенты теплопроводности их соответственно равныто термическое сопротивление теплопередаче такой стенки

,

или . (7.171)

В этом случае выражение (7.169) для коэффициента теплопередачи Kпринимает следующий вид:

. (7.172)

Анализ уравнений (7.169) и (7.172) показывает, что коэффициент теплопередачи Kзависит в основном от значения наибольшего из термических сопротивлений. Поэтому для интенсификации процесса теплообмена необходимо прежде всего уменьшить термическое сопротивление с той стороны, с которой оно является наибольшим.

Коэффициент теплопередачи всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи и снижается с увеличением толщины стенки, уменьшением коэффициента ее теплопроводности, а также с увеличением толщины слоев отложений на ней.

Подставляя значение удельного теплового потока Q/Fв уравнения (7.167), можно определить температуры стенкии:

(7.173)

Рисунок 7.21 – Теплопередача через цилиндрическую стенку

Теплопередача через цилиндрическую стенку. Внутри трубы длинойL с внутренним диаметромd₁ и внешнимd₂ (рис. 7.21) протекает горячий теплоноситель с температуройt₁. Снаружи труба омывается холодным теплоносителем с температуройt₂. Стенка трубы однородна, и коэффициент ее теплопроводности равен; температуры внутренней и наружной стенок трубы соответственнои. Температуры теплоносителей и стенки изменяются только в направлении радиуса. Со стороны горячего теплоносителя коэффициент теплоотдачи, а со стороны холодного –.

При установившемся процессе количества тепла, отданное горячим теплоносителем стенке, переданное через стенку и отданное стенкой холодному теплоносителю, равны. Следовательно,

(7.174)

Частные температурные напоры из уравнений (7.174):

(7.175)

Складывая уравнения системы (7.175), получим полный температурный напор:

, (7.176)

а тепловой поток

. (7.177)

Обычно при теплопередаче через цилиндрическую стенку определяют количество тепла, передаваемое через единицу длины трубы (L = 1), и уравнение теплопередачи представляют в виде

, (7.178)

где – линейный коэффициент теплопередачи (Вт/м·К), равный:

. (7.179)

Расчетные формулы теплопередачи через цилиндрические стенки довольно громоздки, поэтому при практических расчетах применяют некоторые упрощения. Так, для тонкостенных труб, пренебрегая кривизной стенки, используют для расчета уравнение для плоской стенки (7.168):

, (7.180)

где – коэффициент теплопередачи для плоской стенки;d_р– расчетный диаметр трубы;– толщина стенки трубы, равная.

Погрешность расчета при использовании уравнения (7.180) при не превышает 4 %.

В качестве расчетного диаметра d_рберут тот диаметр трубы, со стороны которого коэффициент теплоотдачи имеет меньшее значение. Если же значения коэффициентов теплоотдачииодного порядка, тоd_рпринимают равным среднеарифметическому между внутреннимd₁и внешнимd₂диаметрами, т.е.:

По аналогии с коэффициентом теплопередачи для многослойной плоской стенки коэффициент теплопередачи для многослойной цилиндрической стенки

. (7.181)

Рисунок 7.22 – Теплопередача через шаровую стенку

Аналогично определяют и температуры стенок и.

Теплопередача через шаровую стенку.Внутренний диаметр шара (рис. 7.22) равенd₁, внешний –d₂,коэффициент теплопроводности .Внутри шара находится горячий теплоноситель с температуройt₁,снаружи – холодный теплоноситель с температуройt₂.Значения коэффициентов теплоотдачи соответственнои. Температуры поверхности стеноки.

При установившемся режиме количество тепла (Вт), переданное от горячего теплоносителя к холодному через стенку, выразится уравнениями:

(7.182)

(7.183)

или ,

где K_ш– коэффициент теплопередачи для шаровой стенки (Вт/К), равный:

. (7.184)

Коэффициент теплопередачи является количественной расчет ной величиной и зависит от коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и загрязнений.

Для плоской стенки

, (9.28)

где – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя, Вт/(м град); – толщина теплопередающей стенки аппарата, м; — коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м град); — коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м град); – термическое сопротивление загрязнения стенки, м 2 град/Вт.

Ориентировочные значения R приведены в [19]. Если в трубах отношение наружного диаметра к внутреннему , то для вычисления К можно пользоваться формулой (9.28).

Если теплопроводность слоя загрязнения неизвестна, подсчитывают К для чистой стенки, а влияние загрязнения стенки учитывают при помощи коэффициента использования поверхности теплообмена j

, (9.29)

Для большинства аппаратов j = 0,65 — 0,85. Если из рабочих сред, участвующих в теплообмене, активно выпадают осадки, то j = 0,4 — 0,5.

Коэффициенты теплоотдачи a определяются в основном из формул

или

или (9.30)

где Nu – безразмерный критерий подобия Нуссельта; l – коэффициент теплопроводности теплоносителя (для которого определяется коэффициент теплоотдачи), Вт/(м град); l – определяющий геометрический размер, м; – эквивалентный диаметр, м.

(9.31)

где F – площадь поперечного сечения потока, м 2 ; П – смоченный периметр, м.

Критерий Нуссельта в зависимости от состояния и характера движения сред определяется по различным критериальным уравнениям.

Для подсчета a ₁ и a ₂ критериальное уравнение выбирается по справочникам так, чтобы оно возможно точно совпадало с условиями расчета.

Для устойчивого турбулентного режима движения жидкостей внутри труб (Re > 10000) рекомендуется следующее критериальное уравнение:

, (9.32)

где – критерий Рейнольдса; – критерий Прандтля; — средняя скорость теплоносителя, м/с; l – определяющий геометрический размер, м; r – плотность теплоносителя, кг/м; m – вязкость теплоносителя, Н с/м 2 ; – массовая скорость теплоносителя, кг/(м₂ с); – эквивалентный диаметр, м; c – удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг град); l – теплопроводность теплоносителя, Вт/(м град).

Здесь за определяющую температуру принята , а за определяющий размер эквивалентный диаметр . Уравнение (8.32) применяется при , 100 > Pr > 0,6; для труб – при условии, где l – длина трубы, м; d – диаметр трубы, м.

Если движение в трубе (канале) носит характер переходного режима, т.е. Re = 2300 — 10000, то критерий Нуссельта

, (9.33)

Для ламинарного движения ( Re

, (9.34)

где a – множитель (для горизонтальных труб d = 0,74; для вертикальных труб a= 0,85), – критерий Грасгофа; g = 9,81 ускорение свободного падения, м/с 2 ; r – плотность теплоносителя, кг/м ; b – коэффициент объемного расширения теплоносителя, град –1 ; – частный температурный напор, град.

Если теплоноситель перемещается в межтрубном пространстве (при наличии перегородок), то критерий Нуссельта определяется по уравнению

, (9.35)

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10605 — | 7337 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно