ГЛАВА ШЕСТАЯ. ПРОЦЕССЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

6-1. СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

1. Сложный теплообмен. Разделение общего процесса переноса теплоты на элементарные явления — теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение — производится в основном из методологических соображений. В действительности же эти явления протекают одновременно и, конечно, как-то влияют друг на друга. Конвекция, например, часто сопровождается тепловым излучением, теплопроводность в пористых телах — конвекцией и излучением в порах, а тепловое излучение — теплопроводностью и конвекцией.

В практических расчетах разделение таких сложных процессов на элементарные явления не всегда возможно и целесообразно.

Обычно результат совокупного действия отдельных элементарных явлений приписывается одному из них, которое и считается главным. Влияние же остальных (второстепенных) явлений сказывается лишь на количественной характеристике основного. Так, например, при распространении теплоты в пористом теле в качестве основного явления принято считать теплопроводность, а влияние конвекции и теплового излучения в порах учитывается соответственным увеличением значения коэффициента теплопроводности.

Процесс переноса теплоты между потоком излучающего газа и стенкой также является результатом совокупного действия конвективного теплообмена и теплового излучения; это так называемый сложный теплообмен. Здесь в качестве основного явления обычно принимается конвекция. В этом случае количественной характеристикой процесса является коэффициент теплоотдачи где учитывает действие конвекции и теплопроводности, а — действие теплового излучения.

Если — температура газа и — температура тепловоспринимающей стенки, то каждой единице поверхности этой стенки передается теплота путем соприкосновения

и путем теплового излучения

Суммируя выражения (а) и (б), имеем:

Так как , то, вынося эту разность в выражении (в) за скобки, получаем:

или

где — коэффициент теплоотдачи соприкосновением; — коэффициент теплоотдачи излучением; — общий (суммарный) коэффициент теплоотдачи.

Из уравнений (6-1) и (г) имеем:

где — приведенная степень черноты системы; — коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный ; — температурный коэффициент.

Значение зависит только от температур (рис. 6-1). Значение же выбирается согласно данным, приведенным в гл. 5. Обозначим . Тогда если можно считать, что

и

При таком допущении ошибка получается меньше 1%.

Наконец, когда стенка омывается капельной жидкостью, например, водой, тогда .

В дальнейшем, если нет особой оговорки, буквой а мы будем обозначать общий или суммарный коэффициент теплоотдачи, учитывающий как конвекцию, как и тепловое излучение.

В случае же, если в качестве основного принят процесс теплового излучения, расчетная формула суммарной теплоотдачи будет иметь вид:

Рис. 6-1. Зависимость .

Участие в процессе конвективного теплообмена здесь учитывается увеличением приведенной степени черноты системы за счет определяемого по формуле:

2. Теплопередача. При рассмотрении процесса переноса теплоты от нагретого теплоносителя к холодному через твердую стенку задача еще более усложняется.

Здесь процесс определяется совокупным действием рассмотренных элементарных явлений. В качестве примера возьмем парогенератор. Здесь от горячих газов к внешней поверхности кипятильных труб перенос теплоты осуществляется теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением; через стенку трубы — только теплопроводностью; от внутренней поверхности к воде — конвекцией и теплопроводностью. Отсюда следует, что теплопроводность, конвекция и тепловое излучение являются лишь частными условиями общего процесса переноса теплоты. Количественной характеристикой этого процесса является коэффициент теплопередачи k, значение которого определяет количество теплоты, переданное в единицу времени через единицу поверхности стенки от одной жидкости к другой при разности температур между ними в один градус. При этом расчетная формула имеет следующий вид:

Физическая сторона сложного процесса теплопередачи всецело определяется явлениями теплопроводности, конвекции и теплового излучения, а коэффициент теплопередачи является лишь количественной, чисто расчетной характеристикой процесса. Взаимная связь между коэффициентами теплопередачи, с одной стороны, и коэффициентами теплопроводности и теплоотдачи — с другой, зависит от формы стенки, отделяющей горячую жидкость от холодной; эта связь рассматривается ниже.