Коэффициент теплопередачи: как считать
Коэффициент теплопередачи k складывается из последовательных термических сопротивлений: теплоотдачи от греющей среды к стенке (1/α₁), теплопроводности стенки (δ/λ), теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде (1/α₂) и слоёв загрязнений с обеих сторон (R_f): 1/k = 1/α₁ + δ/λ + 1/α₂ + R_f1 + R_f2. Итог определяет самое большое сопротивление — «узкое место». Типовые α: вода в каналах пластинчатого аппарата 5 000–15 000, вода в трубе при 1–2 м/с 2 000–8 000, вода снаружи змеевика при естественной конвекции 300–1 000, конденсирующийся пар 8 000–15 000, вынужденный воздух 30–100, спокойный воздух 5–12 Вт/(м²·К).
Пластинчатый аппарат вода — вода: α по 8 000 с обеих сторон, нержавеющая пластина 0,5 мм (λ = 16): k = 3 556 Вт/(м²·К), при этом стенка отвечает лишь за 11,1 % сопротивления — металл почти не важен, важна теплоотдача. Загрязнение водопроводной водой с обеих сторон (R_f = 0,0002 м²·К/Вт на сторону по TEMA) добавляет 59 % сопротивления и снижает k до 1 468 (−59 %): именно поэтому расчётный k принимают с запасом, а аппараты промывают. У змеевика в баке узкое место снаружи — естественная конвекция воды даёт α ≈ 600, и k всего 521 (87 % сопротивления снаружи); у калорифера вода — воздух со стороны воздуха α ≈ 60 — k 59, 98 % сопротивления на воздухе, отсюда оребрение воздушной стороны.
Практический вывод: увеличивать надо «слабую» теплоотдачу — скорость среды, турбулизацию, оребрение; удвоение α сильной стороны почти ничего не даёт. Медь вместо стали в змеевике ускоряет теплопередачу на проценты, а не в разы. Калькулятор считает k из α, толщины и материала стенки и загрязнений, показывает доли сопротивлений и k чистой поверхности, даёт справочные α и R_f.
Типовые коэффициенты теплоотдачи и k с ними
Вторая сторона — вода в канале пластинчатого аппарата (8 000), стенка нержавеющая 0,5 мм: узкое место всегда там, где α меньше.
Влияние загрязнений на k (TEMA)
R_f с обеих сторон; для пластинчатого вода — вода и для змеевика в баке.
Тепловой поток через поверхность аппарата пропорционален коэффициенту теплопередачи, площади поверхности и среднему температурному напору: Q = k·A·Δt_ср, где для противотока и прямотока Δt_ср = (Δt₁ − Δt₂)/ln(Δt₁/Δt₂) — среднелогарифмическая разность температур сред на концах аппарата.— Основное уравнение теплопередачи
Как считать и что проверить
- 1/k = 1/α₁ + δ/λ + 1/α₂ + R_f: вода — вода при α 8 000 и стенке 0,5 мм — k 3 556; стенка — 11,1 % сопротивления.
- Загрязнение — главный «вор» k: R_f 0,0002 с обеих сторон снижает его до 1 468 (−59 %); промывайте и закладывайте запас.
- Улучшайте слабую сторону: у змеевика снаружи (87 % сопротивления), у калорифера — воздух (98 %) → оребрение и вентилятор.
- Материал стенки почти не важен при тонких стенках: медь вместо нержавейки даёт единицы процентов.
Остальные режимы — на страницах серии ниже и в полном калькуляторе теплообменника; расход и потери контуров — в гидравлике системы отопления, регулирующий клапан теплообменника — в расчёте Kv клапана.
- Кутателадзе С. С. «Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие» — коэффициенты теплоотдачи, теплопередача через стенку. Энергоатомиздат. 1990.
- Incropera F. P., DeWitt D. P. «Fundamentals of Heat and Mass Transfer» — LMTD, метод ε-NTU, коэффициенты теплоотдачи и загрязнения. Wiley. 2011.
- TEMA Standards (Tubular Exchanger Manufacturers Association) — сопротивления загрязнений R_f для воды, масел и пара. TEMA. 2019.
- VDI-Wärmeatlas — коэффициенты теплопередачи типовых теплообменников, поправки на схему тока. Springer. 2013.
