Сложный теплообмен

Деление на виды теплообмена условно. Оно удобно для выполнения расчетов. В природе несколько видов теплообмена существуют одновременно. Часто теплообмен между твердой поверхностью и газообразной или жидкой средой осуществляется за счет конвективного и лучистого теплообмена, и такой случай теплообмена называется сложным.

При сложном теплообмене справедливо следующее представление плотности суммарного теплового потока q, как суммы тепловых потоков, передаваемых конвекцией q_к и тепловым излучением q_л:

, Вт/м².

Интенсивность теплового потока в этом случае принято характеризовать суммарным коэффициентом теплоотдачи , который состоит из конвективной и лучистой составляющей:

.

Тепловой поток, передаваемый конвекцией q_к, пропорционален разности температур между температурой твердой стенки t_ст и температурой греющей или нагреваемой жидкости t_ж и определяется с использованием закона Ньютона-Рихмана по формуле, Вт/м²:

.

Конвективный коэффициент теплоотдачи зависит от многих параметров и может быть определен из числа подобия Нуссельта

.

Число подобия Нуссельта характеризует интенсивность теплообмена на поверхности и зависит от режима движения. Например, для естественной конвекции определяющими будут числа Грасгофа и Прандтля

,

а для вынужденной конвекции определяющими будут числа Рейнольдса и Прандтля

.

Тепловой поток, передаваемый за счет теплового излучения q_л, может быть рассчитан с использованием закона Стефана-Больцмана

,

а лучистый коэффициент теплоотдачи между стенкой и жидкостью при заданных температурах определяется соотношениями

,

или

.

Следовательно, тепловой поток, передаваемый за счет теплового излучения q_л, с учетом лучистого коэффициента теплоотдачи может быть рассчитан по формуле

.

При сложном теплообмене вклад конвективной и лучистой составляющей может существенно отличаться. Например, при теплоотдаче от нагревательных приборов в системах отопления помещений тепловые потоки, передаваемые за счет конвекции и теплового излучения сопоставимы, т.е.

.

При нагреве металла в промышленных печах, где греющие газы имеют температуру около 1000 С, значительно преобладает теплообмен излучением, т.е.

.

В капельных жидкостях, таких как вода или масло, нагрев или охлаждение осуществляется только за счет конвективного теплообмена.