Определение коэффициента теплопередачи для многослойной стенки Основное уравнение теплопередачи
методическая разработка

Определение коэффициента теплопередачи для многослойной стенки

Основное уравнение теплопередачи

Методическая разработка

Введение.

Одним из наиболее распространенных на практике видов сложного теплообмена является перенос тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. В этом случае тепло от одного теплоносителя к стенке и от стенки к другому теплоносителю передается конвекцией (теплоотдачей), а через стенку – теплопроводностью. Такой способ переноса тепла получил название теплопередачи, а стенка – поверхности теплопередачи.

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему, либо непосредственно (при контакте), либо через посредника (проводника) или разделяющую перегородку (тела или среды) из какого-либо материала.

Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия . Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от  более горячего тела к менее горячему, что является следствием второго закона термодинамики.

Второй Закон термодинамики гласит, что тепло более горячей системы переходит только в сторону более холодной. Это необратимый процесс, который идет всегда в сторону большего хаоса (в сторону увеличения энтропии). Чтобы тепло перешло от более холодной системы к более горячей, необходимо внешнее воздействие

Расчетные формулы

Основное уравнение теплопередачи: количество теплоты, переданное от более нагретого тела к менее нагретому, пропорционально поверхности теплообмена (F), среднему температурному напору ( Δ t ср )  и времени (τ  ): (формула №1) (рис №1)

      Q  = K ⋅ F ⋅ Δ t ср ⋅ τ    (1)   где :

K — коэффициент теплопередачи вдоль поверхности теплообмена, [Вт/(м2·К)] Вт/(м2°C)

F — поверхность теплообмена, [ м2 ]

Δtср — средний температурный напор (средняя разность температур между теплоносителями),

τ — время. [сек ]

                                                                                          Рис №1.

Коэффициент теплопередачи K показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через 1 м2 теплообменной поверхности при разности температур между теплоносителями в 1 градус.

Коэффициент теплопередачи: (формула №2)

K = 1 / (1 / α1 + δ / λ + 1 / α2)     (2)

 где: α1 и α2 - коэффициенты  теплоотдачи, соответственно, от горячего теплоносителя к разделяющей стенке и от стенки к холодному теплоносителю [Вт/(м2·К)]  или  [Вт/(м2 * 0 С)]

δ-  толщина стенки;   [м]

λ - коэффициент теплопроводности стенки [Вт/(м·грС)]

Расчет теплопередачи  для многослойной стенки, состоящей из n слоев: (формула №3), (рисунок №2)

       (3)

 рис №2

  Одним из слоев может быть  грязь. Загрязнение поверхности материала стенки может представлять собой дополнительный барьер для теплопередачи. Эта проблема возникает по многим причинам: как из-за нагревательной среды, так и из-за продукта. Загрязнение  добавляют  к данному уравнению (формула №2), включив сюда отношение толщины его слоя (δгр) к его теплопроводности (λгр). Как правило, фактор загрязнения учитывается для теплообменников, которые уже были в эксплуатации.

Не стоит путать коэффициенты теплопроводности, теплоотдачи и теплопередачи. Эти коэффициенты характеризуют интенсивность различных процессов и по разному рассчитываются. Коэффициент теплопередачи есть чисто расчетная величина, которая определяется коэффициентами теплоотдачи с обеих сторон стенки и ее термическим сопротивлением.

Задача.

Как будет меняться  коэффициент теплопередачи К с увеличением количества слоем, через которые происходит процесс теплопередачи.

Исходные данные:

Первый слой стальная стенка толщиной 5 мм и теплопроводностью (углеродистая сталь λ = 50 Вт/(м°C)

Слой №2 Накипь толщиной 1 мм и теплопроводностью 2 [ Вт/(м*°C)]

Слой №3  Слой краски (при условии если на поверхность стенки нанесена краска, будет вторым слоем)  толщиной 0,9 мм и теплопроводностью 20 [ Вт/(м*°C)]

Слой № 4  Слой грязи толщиной 1,2 мм и теплопроводностью 3 [ Вт/(м*°C)]

  α1  - коэффициенты  теплоотдачи принимаем равным 5000  [Вт/(м2·0С)]

 α2  - коэффициенты  теплоотдачи принимаем равным 500  [Вт/(м2·0С)]

Найти  коэффициент теплопередачи К  при различных слоях стенки. Какая зависимость между  коэффициентом теплопередачи числом слоев поверхности теплопередачи. Построить график зависимости  К от n. Где  n число слоев.

Заключение

  Расчет  проводится с помощью  программы Microsoft Excel.  для работы с  электронными таблицами. Это дает возможность проверить  расчеты и графики у всех студентов в группе за короткое время и делает работу преподавателя и студента более эффективной. Для этого можно скачать и воспользоваться  файлом «График зависимости коэффициента теплопередачи от числа слоёв.xls»  Для составления этой работы использовались разнообразные интернет ресурсы.