Рис. 6-7. Теплопередача через многослойную цилиндрическую стенку. Рис. 6-5. Графическое определение температуры на поверхности и в плоскости соприкосновения слоев двухслойной стенки. Температура внутренней поверхности стенки трубы tw=70°С. Распределение температур при теплопередаче через однослойную и многослойную цилиндрические стенки показано на рис. 6-6 и 6-7 соответственно.

1. Однослойная плоская стенка. Пусть температуры наружных поверхностей воображаемой стенки соответственно равны температурам горячей и холодной среды (рис. 6-4). Количество передаваемой теплоты остается без изменения. Способ определения температуры между слоями описан в гл. 1. Расчетные формулы теплопередачи для труб довольно громоздки, поэтому при практических расчетах применяются некоторые упрощения.

Теплопередача – наука о процессах самопроизвольного распростране­ния теплоты в пространстве с неоднородным полем температур. Если температура в различных точках тела имеет одинаковое значение, то температурное поле называется однородным, а при наличии разности температур оно называется неоднородным. Для количественной характеристики интенсивности распространения теплоты в теплопередаче используется понятие вектора плотности теплового потока.

Пусть дана плоская стенка из однородного материала с коэффициентом теплопроводности , который не зависит от температуры. Толщина этой стенки намного меньше ширины и высоты, что позволяет считать стенку тон­кой, а задачу одномерной. Фурье (4.3). Если это уравнение представить в виде dx и произвести интегрирова­ние, то получим выражение (4.5): , (4.5) где x – координата точки поверхности стенки; С – постоянная интегрирования.

В отличие от плоских стенок в цилиндрических поверхностях круглых труб температура изменяется по закону логарифма, что находит отражение в уравнении тепло­проводности. Если при этом температура стенки отличается от температуры жидкости, то проис­ходит конвективный теплообмен между жидкостью и твёрдой стенкой, ко­торый называется теплоотдачей.

Зона III – теплоотдача от поверхности твёрдой стенки к холодному теп­лоносителю. Согласно закону сохранения энергии при стационарном режиме плот­ность теплового потока через рассматриваемую плоскую стенку не изменя­ется. 1 м2любой изотермической поверхности стенки и, наконец, то же количество теп­лоты отдаётся от единицы правой по­верхности стенки к нагреваемой среде (холодному теплоносителю) в единицу времени.

Теоретическая теплотехника как наука состоит из технической термоди­намики и теплопередачи. При тепло­передаче происходит обмен тепловой энергией (теплообмен) между тепло­носителем и нагреваемой средой. В процессе теплооб­мена теплопроводностью структурные частицы более нагретой части тела при беспорядочном движении сталкиваются с соседними частицами и пере­дают им часть своей кинетической энергии.

Температурное поле может изменяться во времени и в пространстве. Отметим, что градиент температуры представляет собой вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону увеличения температуры. При практическом использовании понятия плотности теплового потока нет необходимости во всех случаях рассматривать эту величину как вектор.

В расчётах теплообменных аппаратов часто надо определять не удель­ный тепловой поток через 1м2, а полный, проходящий через всю поверхность. Так как различные виды теплообмена отличаются физической сущно­стью проходящих процессов, то и законы, описывающие эти процессы должны быть различны. Передача теплоты теплопроводностью описыва­ется законом Фурье, который уста­навливает количественную связь ме­жду температурным полем в теле и интенсивностью распространения в нём теплоты.

Несмотря на то, что теплопроводность всегда связана с движением мик­рочастиц вещества, характер этого движения для газов, жидкостей и твёрдых тел различен. В газахпри обычных давлениях и температурах перенос те­плоты осуществляется за счёт перемещения молекул, обладающих опреде­ленным запасом кинетической энергии.

Тогда результи­рующий тепловой поток, как разность потоков этих энергий будет представ­лять собой поток теплопроводности, который направлен из нагретой об­ласти в холодную. Значения коэффициентов теплопроводностей различных газов находятся в пределах от 0,006 до 0,6 Вт/м·К.

Температуры стенки можно определить и графически. Теплопередача – это теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твёрдую стенку. В этом случае рассматривается передача теплоты через многослойную, например двухслойную, цилиндрическую стенку. Зона II – теплопроводность через твёрдую стенку. Зона I – теплоотдача от горячего теплоносителя и поверхности стенки.