Теплопровідність при стаціонарному режимі

PAGE 13

Л е к ц і я 2.3. Теплопровідність при стаціонарному режимі.

Диференціальне рівняння теплопровідності. Граничні умови. Теплопровідність плоскої стінки при граничних умовах першого роду. Теплопровідність циліндричної стінки при граничних умовах першого роду. Теплопровідність плоскої і циліндричної стінок при граничних умовах третього роду (теплопередача). Критичний діаметр теплової ізоляції. Інтенсифікація теплопередачі. Теплопередача через ребристу стінку. Теплопровідність при наявності внутрішніх джерел теплоти.

Джерела інформації: [1], с.311-335; [2], с.162-176; [8], с.13-27, 193-220, 300-306;

Диференціальне рівняння теплопровідності. Для твердого тіла і нерухомої рідини проекції швидкості і диференціальне рівняння енергії прийме вид

. (4.1)

Рівняння (4.1) є диференціальним рівнянням теплопровідності однорідного тіла, що виражає залежність температури будь-якої його точки від координат і часу. Величина називається коефіцієнтом температуропровідності (для твердих тіл замість слід підставляти – питому теплоємність тіла). Коефіцієнт характеризує теплоінерційні властивості речовини, тобто швидкість зміни температури будь-якої його точки, оскільки визначає властивість речовини проводити теплоту, а – міру теплової інерції речовини.

Граничні умови. До умов однозначності (див тему 2) мають входити граничні умови, що характеризують особливості протікання процесу теплообміну на границях тіла. При розв’язанні задач теплопровідності розрізняють такі граничні умови:

граничні умови першого роду, при яких заданим є розподіл температури по всій поверхні тіла в функції від часу;

граничні умови другого роду, при яких заданою є густина теплового потоку по всій поверхні тіла в функції від часу;

граничні умови третього роду, при яких заданими є температура рідини , що омиває поверхню, і коефіцієнт тепловіддачі між поверхнею тіла і оточуючим середовищем.

У відповідності до закону Ньютона – Ріхмана густина теплового потоку, Вт/м2, що передається поверхнею тіла оточуючому середовищу,

.

Згідно закону збереження енергії ця теплота дорівнює теплоті, яка підводиться до поверхні з глибини тіла теплопровідністю і визначається за законом Фур’є:

(4.2)

Це рівняння є математичним формулюванням граничних умов третього роду.

Теплопровідність плоскої стінки при граничних умовах першого роду. Розглянемо однорідну плоску стінку товщиною (рис. 4.1). На зовнішніх поверхнях стінки підтримуються постійні температури та . Коефіцієнт теплопровідності стінки постійний та дорівнює . При стаціонарному режимі і за відсутністю внутрішніх джерел теплоти диференціальне рівняння теплопровідності стінки має вид

. (4.3)

При заданих граничних умов температура в напрямку осей Оy і Оz буде залишатися постійною, тобто і .

Рис. 4.1. Однорідна плоска стінка

З урахуванням цього температура є функцією тільки однієї координати x і вираз (4.3) прийме вид

. (4.4)

Зінтегрувавши вираз (4.4), отримаємо

.

Друге інтегрування дає

. (4.5)

Постійні та знайдемо, виходячи з граничних умов: при і ; при , звідки .

Підставивши значення і у рівняння (4.5), отримаємо розподіл температури по товщині стінки:

. (4.6)

Для визначення густини теплового потоку, що проходить через стінку в напрямку осі Оx, скористаємося законом Фур’є, згідно з яким . Врахувавши, що , отримаємо

. (4.7)

Загальна кількість теплоти, Дж, що передається через поверхню стінки площею за час ,

. (4.8)

Відношення називається теплопровідністю стінки, зворотна величина – її внутрішнім термічним опором. При лінійній залежності у рівняння (4.7) і (4.8) замість слід підставити значення , знайдене для середньої арифметичної температури стінки .

Розглянемо теплопровідність багатошарової плоскої стінки, яка складається з однорідних шарів (рис. 4.2). Коефіцієнт теплопровідності кожного шару дорівнює відповідно ; товщина шарів .

При стаціонарному режимі кількість підведеної до стінки і відведеної від неї теплоти однакова. Звідси витікає рівність теплових потоків, що проходять крізь кожний шар стінки. На підставі (4.7) маємо:

; ; ...; .

З цих рівнянь знаходимо температурні напори

; ; ...; . (4.9)

Склавши ліві і праві частини рівнянь (4.9), отримаємо

.

Звідси густина теплового потоку

,

де – номер шару.

Рис. 4.2. Багатошарова плоска стінка

Графічно розподіл температур по перерізу багатошарової стінки зображується ламаною лінією; температури на границі стикання шарів можна знайти з рівнянь (4.9).

Для порівняння теплопровідності багатошарової стінки і стінки з однорідного матеріалу вводять поняття еквівалентного коефіцієнта теплопровідності багатошарової стінки. Він дорівнює коефіцієнту теплопровідності однорідної стінки, товщина якої відповідає товщині багатошарової стінки , а внутрішні термічні опори обох стінок однакові, та визначається за формулою

.

Теплопровідність циліндричної стінки при граничних умовах першого роду. Розглянемо теплопровідність однорідної циліндричної стінки (труби) великої довжини , коли тепловіддачею з торців стінки можна знехтувати. Труба має внутрішній радіус і зовнішній (рис. 4.3). Коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки – величина постійна. На поверхнях стінки задані температури та .

Для розв’язання цієї задачі диференціальне рівняння теплопровідності (4.1) доцільно записати у циліндричній системі координат, скориставшись співвідношеннями, що зв’язують прямокутні і циліндричні координати:

; ; .

Тоді рівняння (4.1) прийме вид

. (4.10)

У відповідності до заданих умов однозначності температура стінки змінюється тільки уздовж координати , тобто ; тому рівняння (4.10) спрощується та приймає вид

(4.11)

Введемо нову змінну . Тоді з рівняння (4.11) випливає

, або .

Інтегрування останнього рівняння дає

. (4.12)

Після потенціювання рівняння (4.12) і переходу до початкової змінної одержимо

. (4.13)

Зінтегрувавши рівняння (4.13), знайдемо

. (4.14)

Рис. 4.3. Однорідна циліндрична стінка

Для визначення постійних інтегрування та скористаємося граничними умовами: при , звідки ; при , отже .

Розв’язавши систему отриманих рівнянь, знайдемо постійні інтегрування

; .

Підставивши значення та у рівняння (4.14), одержимо

. (4.15)

Вираз (4.15) є рівнянням логарифмічної кривої. Отже розподіл температур у циліндричній стінці є криволінійним. Це пояснюється тим, що густина теплового потоку через будь-яку ізотермічну поверхню циліндричної стінки залежить від радіусу.

Для визначення теплового потоку, що проходить на ділянці циліндричної поверхні довжиною , скористаємося законом Фур’є

. (4.16)

Якщо підставити у (4.16) значення градієнта температури відповідно до (4.13), знайдемо

. (4.17)

Так як площі внутрішньої і зовнішньої поверхонь циліндричної стінки різні, різними будуть і відповідні густини теплових потоків.

У технічних розрахунках тепловий потік відносять до одиниці довжини циліндричної стінки:

, (4.18)

де – лінійна густина теплового потоку, Вт/м.

В шарах багатошарової циліндричної стінки лінійна густина теплового потоку не змінюється. Розв’язавши рівняння (4.18) відносно різниці температур для кожного шару, а потім склавши отримані рішення, знайдемо для багатошарової циліндричної стінки

. (4.19)

Величина називається внутрішнім термічним опором циліндричної стінки (шару). Температура на границі будь-яких двох шарів циліндричної стінки визначається виразом

. (4.20)

Теплопровідність плоскої і циліндричної стінок при граничних умовах третього роду (теплопередача). Передача теплоти від одного теплоносія до іншого (рідини, газу) через тверду стінку, що їх розділяє, називається теплопередачею. Прикладом теплопередачі є перенесення теплоти від димових газів до води через стінку труб парового котла, яке включає радіаційно-конвективне перенесення теплоти від гарячих димових газів до стінки, теплопровідність стінки і конвективну тепловіддачу від внутрішньої поверхні стінки до води.

Особливості протікання процесу на границях стінки при теплопередачі визначаються граничними умовами третього роду, що характеризуються температурами рідин по обидві сторони стінки, а також відповідними коефіцієнтами тепловіддачі.

Плоска стінка. Розглянемо процес теплопередачі через однорідну плоску стінку товщиною (рис. 4.4). Задано коефіцієнт теплопровідності стінки , температури рідин та , коефіцієнти тепловіддачі та . Необхідно знайти тепловий потік від гарячої рідини до холодної і температури на поверхнях стінки , .

Рис. 4.4. Теплопередача через плоску стінку

Густина теплового потоку тепловіддачею від гарячої рідини до стінки визначається за законом Ньютона – Ріхмана

.

При стаціонарному режимі цей же тепловий потік передається теплопровідністю через стінку (див. (4.7)) і буде переданий від другої поверхні стінки до холодної рідини тепловіддачею:

; .

Переписавши три останніх рівняння у виді

; ;

і склавши їх, одержимо

.

Звідси

, (4.21)

де

. (4.22)

Величина називається коефіцієнтом теплопередачі, Вт/(м2К), який характеризує кількість теплоти, що проходить через одиницю поверхні стінки за одиницю часу при різниці температур між гарячим та холодним теплоносіями 1 К. Величина, зворотна , називається загальним термічним опором теплопередачі, м2К/Вт:

. (4.23)

Величини та називаються зовнішніми термічними опорами, а – внутрішнім термічним опором. Температури на поверхнях стінки:

; (4.24)

. (4.25)

У випадку багатошарової стінки . Її коефіцієнт теплопередачі можна розрахувати за формулою

. (4.26)

Циліндрична стінка. Розглянемо однорідну циліндричну стінку, внутрішній діаметр якої , зовнішній , а коефіцієнт теплопровідності – постійний (рис. 4.5). Задано температури гарячої та холодної рідин, а також відповідні значення коефіцієнтів тепловіддачі та . При сталому тепловому режимі можна записати:

; ; . (4.27)

Тут та – площі зовнішньої та внутрішньої поверхонь циліндричної стінки довжиною 1 м. Вирішивши рівняння (4.27) відносно різниці температур, а потім склавши отримані рішення, знайдемо

, (4.28)

де

. (4.29)

Рис. 4.5. Теплопередача через циліндричну стінку

Величина називається лінійним коефіцієнтом теплопередачі, який чисельно дорівнює кількості теплоти, що проходить через циліндричну стінку довжиною 1 м за одиницю часу при різниці температур між гарячою та холодною рідинами в 1 К. Величина, зворотна , називається загальним лінійним термічним опором:

. (4.30)

Загальний лінійний термічний опір циліндричної стінки складається із зовнішніх термічних опорів , і внутрішнього термічного опору . У випадку багатошарової циліндричної стінки, що складається з шарів,

.

Тоді

. (4.31)

Температури поверхонь циліндричної стінки з (4.27):

; (4.32)

. (4.33)

Якщо товщина циліндричної стінки не дуже велика (при ), то замість формули (4.28) в розрахунках можна застосовувати формулу для плоскої стінки (4.21), яка в цьому випадку (для труби довжиною 1 м) прийме вид:

, (4.34)

де – коефіцієнт теплопередачі для плоскої стінки, що визначається за формулою (4.22); – розрахунковий діаметр стінки; – товщина стінки, яка дорівнює піврізниці діаметрів.

При виборі розрахункового діаметра слід дотримуватись правила:

якщо , то ;

якщо , то ;

якщо , то .

Критичний діаметр теплової ізоляції. Тепловою ізоляцією називається покриття з теплоізоляційного матеріалу, що сприяє зниженню втрат теплоти до навколишнього середовища. Розглянемо випадок, коли циліндрична стінка покрита одношаровою тепловою ізоляцією (рис. 4.6, а). Величини , , та вважаємо заданими. Простежимо, як буде змінюватися повний лінійний термічний опір теплопередачі при зміні товщини ізоляції за рахунок зміни її діаметра . Скориставшись виразом (4.30), запишемо

. (4.35)

При збільшенні зовнішнього діаметру ізоляції збільшується та одночасно зменшується . Візьмемо похідну від по та прирівняємо її до нуля:

.

а б

Рис. 4.6. До визначення критичного діаметра теплової ізоляції

Знайдене з цього рівняння значення , що відповідає екстремальній точці кривої , називається критичним діаметром

. (4.36)

Друга похідна від у цій точці буде більша нуля. Отже, критичному діаметру ізоляції відповідає мінімальний термічний опір та максимальна лінійна густина теплового потоку, яка дорівнює

.

Аналіз рівняння (4.35) показує (рис. 4.6, б), що зміна діаметра ізоляції у межах супроводжується зростанням теплових втрат за рахунок збільшення площі поверхні тепловіддачі ізоляції; при ці втрати досягають максимуму, і тільки при теплова ізоляція виправдовує своє призначення, тобто збільшення її зовнішнього діаметру призводить до зменшення теплових втрат.

Отже, для ефективного застосування ізоляції необхідно, щоб її критичний діаметр був менше зовнішнього діаметра трубопроводу або дорівнював йому, тобто . Підставивши в цю нерівність вираз для з (4.36), отримаємо умову використання теплової ізоляції . Якщо ця умова не виконується, ізоляційний матеріал підібраний невірно.

Інтенсифікація теплопередачі. Вище були розглянуті деякі особливості вибору теплоізоляційного матеріалу для трубопроводів. Як відомо, призначенням теплової ізоляції є ослаблення теплового потоку, що передається крізь стінку. Поряд з цим в техніці приходиться вирішувати задачу збільшення теплового потоку – інтенсифікації теплопередачу.

При незмінній різниці температур між теплоносіями переданий тепловий потік залежить від коефіцієнта теплопередачі, що витікає з (4.21). Оскільки теплопередача – процес складний, розгляд шляхів її інтенсифікації пов’язаний з аналізом окремих складових процесу. Коефіцієнт теплопередачі плоскої стінки

і підвищити його можна шляхом зменшення товщини стінки або вибору більш теплопровідного матеріалу. Якщо термічний опір стінки малий, то при

. (4.37)

Звідси випливає, що коефіцієнт теплопередачі завжди менше найменшого з коефіцієнтів тепловіддачі. Отже, для підвищення коефіцієнта теплопередачі слід збільшувати найменше із значень коефіцієнтів тепловіддачі або . Якщо , то необхідно збільшувати кожне значення . Збільшити можна за рахунок підвищення швидкості руху теплоносія, зменшення характерного розміру поверхні теплообміну (наприклад, діаметра каналу), руйнування в’язкого підшару (створення штучної шорсткості на поверхні теплообміну, канавок на поверхні каналу, табл. 1), турбулізації потоку при ламінарному русі теплоносія в каналі і т. д. (див. табл. 1). Але при цьому збільшуються витрати на переміщення теплоносія.

Таблиця.1. Схеми пристроїв для інтенсифікації тепловіддачі в каналах

Схема	Схема
Закручена стрічка		Труба з гвинтовими плавно окресленими виступами
Безперервний шнековий завихрювач		Кручена труба
Кільцевий канал типу дифузор-конфузор		Плавно окреслені кільцеві виступи на внутрішній поверхні труби

Теплопередача через ребристу стінку. Якщо підвищити коефіцієнт тепловіддачі немає можливості, теплопередачу через стінку можна інтенсифікувати шляхом її оребрення, розташовуючи ребра з того боку, де коефіцієнт тепловіддачі менше. При використанні метода оребрення треба виходити з наступних міркувань: якщо , оребрювати поверхню з боку слід до тих пір, поки не зрівняється зі значенням . Подальше збільшення площі малоефективне. Ребристі поверхні виготовляють у вигляді або суцільних відливок, або окремих ребер, які прикріплені (наприклад зварюванням) до поверхні.

Оребрення широко застосовується в різних теплообмінних апаратах (ТА): охолодниках наддувного повітря дізелів, радіаторах транспортних двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), радіаторно-вентиляторних установки для охолодження стисненого газу, масла й води газомотокомпресорів, апаратах повітряного охолодження трансформаторних підстанцій, хімічних і нафтохімічних виробництв, побутових й промислових кондиціонерах й інших апаратах, трубні пучки яких скомпоновані із труб з високими, сумірними з радіусом труби, ребрами. Завдяки оребренню площа теплообмінної поверхні, що контактує з повітрям (або газом), може бути збільшена в 7...20 разів і більше, що компенсує відносно невисокі коефіцієнти тепловіддачі з боку повітря. Трубні пучки розглянутих ТА найчастіше мають прямокутну форму, повітря направляється в розвинений зовнішнім оребренням труб міжтрубний простір. Зовнішні ребра круглих або овальних труб можуть мати різну конфігурацію (табл. 2).

Рис. 4.7. Теплопередача через ребристу стінку

Розглянемо плоску стінку товщиною з прямими ребрами постійного перерізу на одній стороні (рис. 4.7). Стінка та ребра виконані з одного матеріалу з коефіцієнтом теплопровідності . Задані геометричні розміри ребер: – висота ребер; – товщина ребер; – довжина ребер і температури теплоносіїв та . Площа гладкої поверхні стінки , а оребреної поверхні стінки , де – площа поверхні ребер, а – площа гладкої частини оребреної поверхні. Задані постійні значення коефіцієнтів тепловіддачі на неоребреній поверхні стінки , гладкій частини оребреної поверхні і на поверхні ребер .

Кількість теплоти з поверхні прямого ребра постійного перерізу, Вт, визначається виразом

,

де – площа поперечного перерізу ребра, м2, (); – параметр, 1/м, де – периметр ребра, м, (); – надлишкова по відношенню до оточуючого середовища температура біля основи ребра, оС; – тангенс гіперболічний добутку ().

Надлишкова температура на торці такого ребра, оС,

Визначимо тепловий потік через оребрену стінку (див. рис. 4.7). Ребра вважаємо малої висоти з великим коефіцієнтом теплопровідності, так що температура ребристої поверхні однакова як у проміжках між ребрами, так і по поверхні ребер і дорівнює , а коефіцієнти тепловіддачі на оребреній поверхні .

Таблиця 2. Схема оребрення труб теплообмінних апаратів

Оребрення	Труба	Схема	Область застосування
Поперечними квадратними ребрами	Кругла		Охолодники наддувного повітря, повітроохолоджувачі установок кондиціонування повітря
Круглими ребрами	Кругла або овальна		Охолодники наддувного повітря, повітроохолоджувачі установок кондиціонування повітря, калорифери
Колективне	Кругла або овальна		Радіатори транспортних двигунів
Дротове	Кругла		Охолодники наддувного повітря, охолодники масла силових трансформаторів
Гвинтова накатка або безперервне спіральне	Кругла		Охолодники наддувного повітря, апарати повітряного охолодження, радіатори, калорифери
Плавцеве	Кругла		Труби парових котлів
Полізональними ребрами	Кругла		ТА спеціального призначення

При сталому тепловому режимі процес передачі через ребристу стінку теплового потоку може бути описаний трьома рівняннями:

; ; .

Розв’язавши ці рівняння відносно різниці температур і склавши отримані вирази, знайдемо

, (4.38)

де коефіцієнт теплопередачі ребристої стінки, віднесений до неоребреної поверхні стінки, Вт/(м2 К),

. (4.39)

Величина називається коефіцієнтом оребрення. Оребрення поверхні дозволяє вирівняти термічні опори тепловіддачі та і тим самим інтенсифікувати теплопередачу.

В реальних умовах температура поверхні ребра не дорівнює , а зменшується (або збільшується) вздовж неї, а коефіцієнти тепловіддачі на поверхні ребра і у проміжках між ребрами різняться. У цьому випадку коефіцієнт теплопередачі ребристої стінки, віднесений до неоребреної поверхні стінки, Вт/(м2 К), визначається за формулою

, (4.40)

де – приведений коефіцієнт тепловіддачі

. (4.41)

Величина в (4.41) дорівнює відношенню дійсного теплового потоку, що передає ребро, до теплового потоку, який передавало б ребро при незмінній температурі на його поверхні, тобто , і називається коефіцієнтом ефективності ребра. Вона прямує до свого максимального значення, яке дорівнює одиниці, якщо (при заданих геометричних розмірах). Величину визначають за допомогою графіків або розраховують з формулою

.

Круглі ребра та ребра іншої геометрії розраховують за методикою, яка наведена в спеціальній літературі.

Теплопровідність при наявності внутрішніх джерел теплоти. На практиці мо-

Рис. 4.8. Теплопровідність плоскої стінки при наявності внутрішніх джерел теплоти

жуть зустрічатися випадки, коли тепло виділяється усередині тіла за рахунок внутрішніх джерел теплоти, наприклад за рахунок проходження електричного струму, хімічних реакцій, ядерного розпаду і т. п. Для таких процесів важливим є поняття потужності внутрішніх джерел теплоти. Ця величина, що позначається , визначає кількість теплоти, яка виділяється одиницею об’єму тіла за одиницю часу, Вт/м3. При поглинанні теплоти усередині об’єму тіла, наприклад при ендотермічних реакціях, величина від’ємна; вона характеризує інтенсивність об’ємного стоку теплоти.

Розглянемо як приклад плоску пластину, товщина якої 2 мала у порівнянні з двома іншими розмірами. Усередині тіла маються рівномірно розподілені джерела тепла . Виділене в товщі стінки тепло передається в навколишнє середовище. При зазначених умовах температура тіла буде змінюватись тільки уздовж осі х (рис.4.8).

У даному випадку густина теплового потоку в стінці лінійно змінюється вздовж х:

.

При цьому при х = 0 , а при .

Відповідно до закону Фур'є

.

Відкіля

.

Інтегруючи, будемо мати:

.

Постійна інтегрування визначається з граничних умов:

х = 0 ; с.

У такому випадку

і .

Якщо значення температури невідоме, то постійну можна виразити через і в даному випадку:

.

Аналогічно можна визначити температурні поля в тілах іншої форми, наприклад, циліндричної або кільцевої, при наявності внутрішніх джерел теплоти.

Теплопровідність при стаціонарному режимі