Основные определения и теория процесса. Теплообмен - это перенос энергии в форме тепла между телами, имеющими различную температуру

Теплообмен - это перенос энергии в форме тепла между телами, имеющими различную температуру. Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называются тепловыми процессами.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

Основной характеристикой теплового процесса является количество передаваемого тепла. Оно может быть определенно из уравнения теплового баланса.

,

где: Q_ОБЩ - количество тепла, которое горячий теплоноситель отдает в
процессе теплообмена или тепловая нагрузка аппарата, Вт;

Q_ПОЛ - количество тепла, которое получает холодный
теплоноситель, Вт;

Q_П - тепловые потери, которые в хорошо изолированных аппаратах
не превышают 2-3% от полезно используемого тепла.

Q_ОБЩ=G_Г C_Г (t_НГ – t_КГ) (1)

где G_Г -массовый расход горячего теплоносителя, кг/с;

С_г- теплоемкость горячего теплоносителя при
его средней температуре, Дж/кг К;

t_НГ, t_КГ - начальная и конечная температуры горячего теплоносителя,
соответственно, К.

Q_пол=G_х С_х (t_КХ-t_НХ), (2)

где G_X- массовый расход холодного теплоносителя, кг/с;

C_X- теплоемкость холодного теплоносителя при его средней

температуре, Дж/кг К;

t_нх, t_кх - начальная и конечная температуры холодного
теплоносителя, К.

Движущей силой теплового процесса, в общем случае, является разность температур горячего и холодного теплоносителей.

Dt=t_Г-t_Х

Так как температуры теплоносителей меняются вдоль поверхности теплообмена, то изменяется и движущая сила процесса. При этом используют среднюю разность температур, которая рассчитывается как среднелогарифмическая величина.

, (3)

где: Dt_б и Dt_м - большая и меньшая разности температур на
концах теплообменника, К.

Данная формула справедлива как для прямотока, так и для противотока теплоносителей. Если схема движения теплоносителей сложная, то в уравнение (3) вводится поправочный температурный коэффициент e_Dt.

,

,

где: Dt_ср – средняя разность температур для сложного тока
теплоносителей, К;

Dt_ср^прот – средняя разность температур для противотока, К.

Общая кинетическая зависимость, выражающая связь между тепловой нагрузкой Q, движущей силой процесса Dt_ср и поверхностью теплообмена F, представляет собой основное уравнение теплопередачи.

Q=K F Dt_ср, (5)

где: К - коэффициент теплопередачи, Вт/м² К;

F – поверхность теплопередачи, м².

Коэффициент теплопередачи характеризует скорость переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному и зависит от частных коэффициентов теплоотдачи, а также от свойств стенки.

, (6)

где: a₁, a₂ - коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя
к стенке и от стенки к холодному теплоносителю, Вт/м² К;

d_СТ, - толщина стенки, м;

l_СТ, - теплопроводность материала стенки, Вт/м К;

r₁ и r₂ – термическое сопротивление загрязнений со стороны горячего
и холодного теплоносителей соответственно, (м² К)/Вт.

Значения термических сопротивлений загрязнений приведены [2].

На величину коэффициентов теплоотдачи a₁ и a₂ оказывают влияние такие факторы, как характер движения теплоносителя и его скорость, физические свойства теплоносителя, размеры и форма поверхности теплообмена. Их значения находят по критериальным уравнениям, полученным путем обработки многочисленных опытных данных.

Зависимости по расчету коэффициентов теплоотдачи для различных случаев теплообмена приведены [2,3,4].

Например, для вынужденного турбулентного движения жидкостей в

прямых трубах и каналах можно использовать уравнение:

, (7)

где: Nu=a l/l - критерий Нуссельта;

Re=wr l/m - критерий Рейнольдса;

Pr=Cm/l - критерий Прандтля;

Pr_ст=C_стm_ст/l_ст - критерий Прандтля, рассчитанный при температуре

стенки;

l- характерный линейный размер, м;

m - динамическая вязкость теплоносителя, Па с;

r - плотность теплоносителя, кг/м³;

l - теплопроводность теплоносителя, Вт/мК.