Основне рівняння теплопередачі

3.2. Основне рівняння теплопередачі.

     Для розрахунку теплообмінних апаратів широко використовують кінетичне рівняння, що зв'язує між собою загальну кількість переданого тепла Q і поверхню теплопередачі F, яке називають основним рівнянням теплопередачі:

                                                        , Дж,                                  (3.1)

де К – коефіцієнт теплопередачі, кінетичний коефіцієнт, що характеризує швидкість переносу теплоти; Dt - рушійна сила процесу або різниця температур між теплоносіями (температурний напір); t - час процесу.

      Для безперервного процесу теплопередачі через поверхню теплообміну F

                                                  , Вт,                                          (3.1а)

де Dt_сер – середня рушійна сила процесу або середня по поверхні теплопередачі різниця температур між теплоносіями (середній температурний напір).   

     Тепловий потік Q звичайно визначають із рівняння теплового балансу:

          або  ,    (3.2)

де Q₁ – кількість теплоти, що віддає гарячий теплоносій; Q₂ – кількість теплоти, прийнята холодним теплоносієм; Q_вт - втрати теплоти в навколишнє середовище, звичайно не перевищують 3-5% від Q; G₁ і G₂ - витрата відповідно гарячого й холодного теплоносія; I_1п і  I_1к – початкова й кінцева ентальпії гарячого теплоносія; I_2п і  I_2к - початкова й кінцева ентальпії холодного теплоносія.

      Якщо процес теплопередачі йде без зміни агрегатного стану теплоносіїв (процеси нагрівання й охолодження), то рівняння теплового балансу (3.2) приймає вид:

                                    ,              (3.3)

де с₁ і с₂ – теплоємності гарячого й холодного теплоносія (при середній температурі теплоносіїв).

       Основне рівняння теплопередачі звичайно використовують для визначення необхідної поверхні теплопередачі:

                                                                                                     (3.4)

       Найбільші труднощі викликає розрахунок коефіцієнта теплопередачі К, що характеризує швидкість процесу теплопередачі за участю всіх трьох видів переносу теплоти. Фізичний зміст і розмірність коефіцієнта К випливає з рівняння (3.1):

      Отже, коефіцієнт теплопередачі показує, яка кількість теплоти передається від гарячого теплоносія до холодного за 1с через 1 м² поверхні стінки при різниці температур між теплоносіями, що дорівнює 1 град.

      Таким чином, щоб розрахувати необхідну для проведення теплового процесу поверхню теплопередачі, потрібно крім рушійної сили процесу Dt_сер визначити коефіцієнт теплопередачі, значення якого залежить від  цілого ряду факторів, у тому числі від внеску в загальну швидкість процесів переносу теплоти швидкостей окремих видів переносу – теплопровідності, теплового випромінювання й конвекції.