Коефициент на топлопреминаване

Преносът на топлина между два флуида 1 и 2, разделени със някаква преграда, е често срещан случай в практиката. В топлообменниците флуидите са разделени обикновено с тънка метална стена (на тръба) и др. При разглеждането на топлинни загуби в строителството, преградата може да е изолирана или неизолирана тухлена стена.

Най-напред топлината се предава чрез конвекция от флуид 1 към стената, този процес се описва с коефициента на топлопредаване α₁. В стената с дебелина d топлината се транспортира чрез топлопроводност и се описва чрез коефициента на топлопроводност λ на стената. От другата страна аналогично се предава топлина от стената към флуида 2 (α₂). Сумарният процес (конвекция + топлопроводност + конвекция) се нарича топлопреминаване или топлопренасяне и се описва чрез коефициента на топлопреминаване K (W/(m²*K)):

$K={\frac {1}{{\frac {1}{\alpha _{1}}}+{\frac {d}{\lambda }}+{\frac {1}{\alpha _{2}}}}}$

В английската литература той се обозначава често с U. Топлинният поток се изчислява по следната формула:

${\dot {Q}}=K\cdot A\cdot (T_{1}-T_{2}),[W]$

${\dot {Q}}$ - топлинен поток, W
A - площта на стената, m²
T₁,T₂ - температурата на флуид 1, 2, K

Това уравнение е известно като основно уравнение на топлопренасянето^[1] . В топлообменниците целта е да се постигне максимален топлинен поток. Затова стената е тънка и от материал с висока топлопроводност (обикновено метал: стомана, мед, алуминий и др.). K е по-нисък от най-ниската стойност на α. Така например при нагряването на въздух с гореща вода или пара, α от страната на водата/паратa е висок, но стойностите на коефициента на топлопредаване α за свободна конвекция за въздух са много ниски. По тази причина и K е нисък. За да се подобри топлопренасянето, стената от страната на въздуха се оребрява (това увеличава топлообменната площ) или въздухът се задвижва с вентилатор (принудена конвекция, α нараства).

При изолирането на сгради, обратно, целта е да се минимизира топлинният поток (т.е. топлинните загуби). Стената се покрива с възможно най-дебел слой материал с ниска топлопроводност (топлоизолация). В такъв случай коефициентите на топлопредаване играят малка роля, тъй като топлинното съпротивление е почти изцяло в изолиращия слой. К може да се изчисли приблизително като:

$K={\frac {\lambda }{d}}$

с дебелината на изолацията d и нейния коефициент на топлопроводност λ.

При оразмеряването на топлообменници може да се приемат следните приблизителни стойности на К (W/(m²*K)) според вида на топлообмена^[2]:

От газ към газ (естествена конвекция): 4-12
От газ към течност (естествена конвекция): 6-20
От газ към течност (принудена конвекция): 10-60
От вода към вода (принудена конвекция): 800-1700
От течност към течност (въглеводороди, принудена конвекция): 120-270
От кондензираща се пара към органични течности: 120-340
От кондензираща се пара към кипяща течност: 300-2500

Източници

↑ Стефанов, Ж.; Топлообменна техника; Бургас, 1998 г.
↑ Павлов, К.; Романков, П.; Носков, А.; Примери и задачи по процеси и апарати в химическата технология, Четвърта глава: Топлопренасяне в химичните апарати; Издателство „Техника“, София, 1990

[1] Стефанов, Ж.; Топлообменна техника; Бургас, 1998 г.

[2] Павлов, К.; Романков, П.; Носков, А.; Примери и задачи по процеси и апарати в химическата технология, Четвърта глава: Топлопренасяне в химичните апарати; Издателство „Техника“, София, 1990

[1]

[2]