I. Теплопроводность — только в твёрдых телах (и неподвижных жидкостях)
Когда два теплоносителя разделены металлической стенкой, они не могут соприкасаться напрямую, и тепло сначала должно пройти через стенку — этот этап и есть теплопроводность. Закон Фурье даёт плотность теплового потока при одномерной стационарной теплопроводности:
q = −λ · (dT/dx), т.е. плотность теплового потока = теплопроводность × температурный градиент
Знак минус указывает, что тепло течёт от высокой температуры к низкой. Для плоской стенки толщиной δ с разностью температур по одной стороне ΔT: q = λ·ΔT / δ.
II. Теплопроводность λ: «способность проводить тепло» материала
λ различается на порядки у разных материалов:
| Материал | Теплопроводность λ (Вт/м·К) |
|---|---|
| Медь | прибл. 400 |
| Алюминий | прибл. 230 |
| Нержавеющая сталь | прибл. 16 |
| Воздух (неподвижный) | прибл. 0,026 |
Поэтому пластины теплообменников в основном делают из тонких листов алюминия, меди или нержавеющей стали — им нужны и хорошая теплопроводность, и коррозионная стойкость, и прочность. Воздух почти не проводит тепло, поэтому при теплообмене «воздух-воздух» стенка между двумя потоками воздуха должна быть предельно тонкой, иначе сопротивление стенки съедает всю разность температур.
III. Толщина стенки — прямой источник термического сопротивления
Термическое сопротивление плоской стенки R = δ / λ. Уменьшение толщины пластины вдвое уменьшает сопротивление стенки вдвое, позволяя удвоить теплопередачу при той же разности температур либо сократить нужную разность температур вдвое при той же теплопередаче. Это также одна из ключевых причин, почему пластинчатые теплообменники компактнее и эффективнее кожухотрубных: сочетание тонкой пластины и большой площади снижает сопротивление стенки до очень низкого уровня.
IV. Многослойные стенки и контактное термическое сопротивление
Реальные пластины могут иметь покрытия и слои загрязнений. Общее термическое сопротивление многослойной стенки — сумма слоёв: R_общ = Σ(δi/λi). Особое внимание — термическому сопротивлению загрязнений: λ накипи и золы очень мал, и по мере накопления в ходе эксплуатации эффективность теплопередачи заметно падает. Поэтому системы теплообмена нуждаются в узлах очистки и регулярном удалении накипи.