3.1. Уравнение теплоотдачи

Согласно закону Ньютона - Рихмана тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален площади поверхности теплообмена F и разности температур поверхности tc и жидкости tж:

Q = aF|tc - tж|. (3.2)

где Q – количество переданного тепла, Вт;

tж – температура теплоносителя;

tс – температура стенки;

F – площадь поверхности соприкосновения теплоносителя со стенкой;

- коэффициент теплоотдачи, Вт/м2*К.

Коэффициент теплоотдачи – это величина, численно равная количеству тепла переданному единицы поверхности в единицу времени при разности температур поверхности и жидкости в 1 градус.

Он зависит от скорости, температуры стенки, температуры жидкости, теплоемкости, плотности, размеров тела, коэффициента теплопроводности, динамической вязкости, формы тела и т.д.

Коэффициент теплоотдачи обычно определяют экспериментально, измеряя тепловой поток Q и разность температур tc - tж в процессе теплоотдачи от поверхности известной площади F. Затем по формуле (3.2) рассчитывают а.

. (3.3)

Коэффициент теплоотдачи а может быть различным в разных точках поверхности теплообмена, в этом случае вводят понятие локального (местного) коэффициента теплоотдачи, который является функцией координат на поверхности теплообмена. Для упрощения тепловых расчетов часто пользуются средним по поверхности коэффициентом теплоотдачи .

В процессе теплоотдачи, независимо от направления теплового потока Q (oт стенки к жидкости или наоборот), значение его принято считать положительным, поэтому разность tc - tж берут по абсолютной величине, т. е. просто из большего значения вычитают меньшее.

Чтобы определить коэффициент теплоотдачи возможны экспериментальный и аналитический пути исследования.

Экспериментальный путь связан с созданием установки и проведением опытов. Здесь решается частная, конкретная задача. Недостаток метода: исследуется конкретное явление в конкретных условиях.

Аналитический путь определения коэффициента теплоотдачи связан с описанием процесса системы дифференциальных уравнений. После получения решения в общем виде для его конкретизации используются начальные условия.

Температура стенки обычно изменяется по длине канала в меньшей мере, чем температура жидкости, поэтому ее среднее значение с достаточной точностью можно определить как среднеарифметическое 2-х крайних температур:

. (3.4)

Средняя по длине канала температура жидкости рассчитывается по формуле

. (3.5)

Здесь - средний температурный напор, который определяется температурными напорами в начале канала или стенки и на выходе из канала или в конце стенки

. (3.6)

Если , то с ошибкой, не превышающей 3%, величину можно рассчитать по формуле:

.

Если теплообмен происходит между стенкой и окружающей средой происходит одновременно путем соприкосновения (теплоотдачи) и излучения, то это явление называется радиационно-конвективный теплообменом.

Формулу Ньютона удобно также использовать для записи теплового потока при радиационно-конвективном теплообмене. Если газ обменивается со стенкой теплотой одновременно путем соприкосновения и излучения, то общий поток теплоты равен:

(3.7)

где и - плотности теплового потока, обусловленные соприкосновением, которые можно записать с помощью формулы Ньютона:

(3.8)

(3.9)

просуммировав правые и левые части этих формул, с учетом равенства , получим:

(3.10)

где - коэффициент радиационно-конвективного теплообмена, который для кратности можно называть коэффициентом теплообмена; - коэффициент теплоотдачи; - поправка на теплообмен излучением.