Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи

Определим удельный тепловой поток q от жидкости с температурой Tj к жидкости с температурой 7/2 через твердую стенку (рис. 12.3); температура Т и Тг обычно не известны.

Экспериментально установлено, что температура жидкости резко изменяется в тонком слое у стенки Aj и Дг (рис. 12.3). Этот слой называют тепловым пограничным слоем.

В пограничном слое происходит интенсивный перенос теплоты, так как здесь имеется большой градиент температуры. Для определения удельного теплового потока q по уравнению (12.5) надо знать распределение температуры по толщине пограничного слоя, т. е. функцию Т = Т (х). Отметим, что распределение скорости теплового потока по толщине пограничного слоя влияет на распределение температуры. Однако трудно найти эту зависимость как теоретически, так и экспериментально. Поэтому удельный тепловой поток q от жидкости к стенке (рис. 12.3) определяют по.

формуле Ньютона.

Величину, а называют коэффициентом теплообмена (теплоотдачи). Он характеризует интенсивность теплоотдачи и равен плотности теплового потока q на поверхности раздела, отнесенной к температурному напору между средой и поверхностью (Tj, — Т_х).

Рис. 12.3. Теплопередача от жидкости с температурой 7^ к жидкости с температурой 7}з через твердую плоскую стенку

Если q измерять в Вт/м², а температурный напор в К, то, а — в Вт/(м²К).

Удельный тепловой поток через стенку (12.4): от правой поверхности стенки к жидкости.

После простых преобразований формул (12.9)—(12.11) получим:

где 1 /К — суммарное термическое сопротивление пограничного слоя жидкости на левой поверхности стенки, твердой стенки и пограничного слоя жидкости на правой поверхности стенки (рис. 12.3).

Введем обозначение Из (12.12) следует Величину К называют коэффициентом теплопередачи.

Удельный тепловой поток q с учетом (12.13) представим в виде:

Для определения теплового потока по формуле Ньютона (12.9) необходимо знать коэффициент теплоотдачи а. Он колеблется в широком диапазоне в зависимости от условий, в которых происходит теплоотдача, и физических свойств жидкостей, омывающих твердые тела.

Например, коэффициент теплоотдачи, а от батареи отопления к воздуху помещения равен примерно 7 Вт/(м² К), а от воздуха к поверхности баллистического снаряда при входе в плотные слои атмосферы — 700 Вт/(м² К), т. е. в 100 раз больше. Коэффициент теплоотдачи, а от воды к внутренней поверхности батареи отопления равен примерно 3500 Вт/(м² К), а при конденсации водяного пара на твердой поверхности а может достигать 12 000 Вт/(м² К).

В редких случаях удается определить коэффициент теплоотдачи теоретически. Как правило, он определяется экспериментально.

Чтобы не допустить грубой ошибки, нужно четко представлять диапазоны изменения коэффициентов теплоотдачи в различных условиях. Они приведены ниже, Вт/(м²К):

Свободная конвекция в газах 5−30.

Свободная конвекция воды 10²— 10*.

Вынужденная конвекция газов 10−500.

Вынужденная конвекция воды 500−2-10⁴

Кипение воды 210³-4 10⁴

Жидкие металлы 10²-310⁴

Пленочная конденсация водяного пара 4−10³—10⁴

Капельная конденсация водяного пара 4−10⁴-10⁵

Если в результате расчета по формулам коэффициент теплоотдачи выходит далеко за указанные пределы, надо внимательно разобраться в причинах этого. Приведенные значения можно использовать и для оценочных расчетов. Иногда дальнейшие уточнения оказываются ненужными.