ТЕПЛОФИЗИКА И ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ
ТЕПЛОТЕХНИКИ
105
Коэффициент пропорциональности
α
называется коэффициентом
теплоотдачи и имеет размерность Вт/(м
2
⋅
К). Он зависит от большого
количестве факторов. К ним относятся: скорость жидкости, режим движения
(ламинарный, переходный и турбулентный), теплофизический параметры
среды, состояние поверхности стенки, омываемой жидкостью и ряд других.
Коэффициент определяется опытным путем, а результат эксперимента
обобщается при помощи методов теории подобия и аппроксимируется
соответствующими уравнениями подобия, которые различны для вынужденной
и свободной конвекции. Эти уравнения различны для турбулентного,
ламинарного и переходного режимов.
Как указывалось в гл. 3, при турбулентном движении у стенки образуются
ламинарные гидродинамический и тепловой подслои. Между ним и ядром
сечения находится переходный слой. В пределах этих слоев скорости
изменяются от 0 до определенного значения, а температура изменяется
аналогично от
t
с
. Толщины пограничных гидродинамических и тепловых слоев
в общем случае не совпадают. Плотность теплового потока в основном
определяется толщиной пограничного слоя и градиентом температур. Однако
попытки подсчета коэффициента
α
при помощи уравнения Фурье оказались
невыполнимыми из-за того, что значение градиента температур у стенок и
характер его изменения определить практически невозможно.
Большое практическое значение имеет случай передачи тепла от одной
жидкой среды через плоскую стенку к другой среде (через пластину из
твердого материала). Рассматриваемый процесс носит название теплопередачи.
Исходные данные для расчета (рис. 6.7): коэффициенты теплоотдачи от
жидкости к стенке и от стенке ко второй жидкой среде
t
1
и
t
2
, температуры
жидкостей
t
ж1
и
t
ж2
, толщина пластины
δ
, коэффициент теплопроводности
λ
= const.
Рис. 6.7. Исходная схема к выводу уравнения теплопередачи
через однослойную стенку при
q
= const.
При теплопередаче в условиях стационарного процесса (
q
= const) плотность
теплового потока описывается тремя уравнениями при передаче тепла:
- от первой жидкости к стенке
q
=
α
1
(
t
ж1
–
t
с1
);
- через стенку
q
=
λ
(
t
с1
–
t
с2
)/
δ
;
- от стенки ко второй жидкости
q
=
α
2
(
t
с2
–
t
ж2
).
Из этих уравнений находим соответствующие температурные перепады:
t
ж1
–
t
с1
=
q
/
α
1
;
t
с1
–
t
с2
=
q
δ
/
λ
;
t
с2
–
t
ж2
=
q
/
α
2
. Складывая эти уравнения,
получим
q
= (1/
α
1
+
δ
/
λ
+ 1/
α
2
)
-1
(
t
ж1
–
t
ж2
).
