Определение коэффициента теплопередачи ограждения холодильной камеры

В.П. Леонов

Определение коэффициента 
теплопередачи ограждения 
холодильной камеры 

Учебно-методическое пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

ISBN 978-5-7038-5300-9

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

Л47

УДК 621.56
ББК 31.392
        Л47

Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/6440/

Факультет «Энергомашиностроение»
Кафедра «Холодильная, криогенная техника,  
системы кондиционирования и жизнеобеспечения»

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Леонов, В. П.
Определение коэффициента теплопередачи ограждения холодильной 
камеры : учебно-методическое пособие / В. П. Леонов. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. — 
20, [4] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5300-9

Представлена лабораторная работа, посвященная определению 
коэффициента теплопередачи ограждения холодильной 
камеры расчетным и экспериментальным способом. Приведены 
описание холодильной камеры и схемы замера температур, дана 
методика проведения испытаний и обработки экспериментальных 
данных.
Для студентов, изучающих дисциплину «Регулирование 
холодильных установок».

УДК 621.56
ББК 31.392

Предисловие

Учебно-методическое пособие посвящено лабораторной работе «
Определение коэффициента теплопередачи ограждения холодильной 
камеры». Лабораторная работа является обязательной 
частью программы изучения дисциплины «Регулирование холодильных 
установок» для студентов, обучающихся по направлению 
подготовки магистров 16.04.03 «Холодильная, криогенная техника 
и системы жизнеобеспечения».
Основная цель пособия — изучение методики определения качества 
изоляционных ограждений холодильной камеры с использованием 
коэффициента теплопередачи ограждения камеры, который 
находят расчетным и экспериментальным путем. 
После изучения материала пособия и выполнения лабораторной 
работы студент приобретет практические навыки применения 
лабораторного оборудования, а также обработки экспериментальных 
данных, полученных при испытании различных аппаратов, 
устройств и сооружений, используемых в холодильной технике.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Объектом испытания является холодильная камера, изготовленная 
по специальному проекту на предприятии OSTROV (Россия) (
рис. 1) и используемая для проведения данной лабораторной 
работы.
Внутри камеры имеется электронагреватель — электронагревательный 
прибор (рис. 2). Камера оснащена восемью датчиками  
для измерения температуры внутри камеры и снаружи; прибором 

Рис. 1. Общий вид холодильной камеры

ЛАТР — лабораторным трансформатором для регулирования мощности 
электронагревателя, которую измеряют ваттметром ROBITON. 
Рядом с холодильной камерой на стене лаборатории расположен 
приборный щит (рис. 3). При проведении эксперимента на дисплее 
щита отображается схема замеров температуры (рис. 4).
При включении электронагревателя температура воздуха в камере 
повышается. При установившемся тепловом состоянии вся 
теплота, выделяемая электронагревателем, проходит через ограждение 
камеры, состоящее из трех слоев: наружный слой — стальной 
лист, внутренний слой — пищевой алюминий, между ними — теплоизоляция.

Температура воздуха внутри камеры измеряется шестью датчиками 
температуры (ВТ17–ВТ22, см. рис. 4).
Температура снаружи камеры измеряется датчиками ВТ15, 
ВТ16, расположенными в центрах боковых стенок, левой и правой 
соответственно (см. рис. 4).
Общепринятым методом экспериментального определения 
коэффициента теплопередачи ограждения холодильной камеры 
является тепловой метод. 
Испытание ограждения камеры проводится с закрытой дверцей 
и выключенным электронагревателем. Установившимся является 
режим, когда все замеренные значения температуры выдержи- 

Рис. 2. Электронагревательный прибор

ваются постоянными в течение 20 мин. При достижении установившегося 
теплового состояния начинают проводить замеры 
температуры в восьми точках каждые 10 мин в течение как минимум 
одного часа.

Рис. 3. Приборный щит:
1 — главный тумблер; 2 — дисплей с изображением схемы замера 
температуры

Рис. 4. Схема замеров температуры (в градусах Цельсия):
ВТ15–ВТ22 — датчики температуры

Среднюю температуру внутри холодильной камеры tср кам
.
 рассчитывают 
как среднее арифметическое всех значений температуры:

t
t
t
t
ср кам
.
.
=
+
+…+
1
2
6
6

Среднюю температуру снаружи ограждения камеры tср огр
.
 вычисляют 
как среднее арифметическое значений температуры левой 
и правой стенки камеры:

t
t
t

ср огр

л
п

.
.
=
+
2

Мощность нагревателя N определяют с помощью ваттметра 
ROBITON и регулируют прибором ЛАТР.
Коэффициент теплопередачи ограждения холодильный камеры 
рассчитывают по формуле

 
K
N
F
t
t
=
−
(
)
ср
ср кам
ср огр
.
.

,  
(1)

где Fср — среднее значение площади ограждения.
Среднее значение площади ограждения равно средней пропорциональной 
площади наружной Fнар  и внутренней Fвн  поверхности 
камеры:
 
F
F
F
ср
нар
вн
=
. 
(2)

Ниже приведен порядок выполнения эксперимента и обработки 
результатов.
1. На приборном щите (см. рис. 3) главный тумблер 1 поставить 
в положение «1». На дисплее 2 появится схема замеров температуры (
см. рис. 4).
2. С помощью прибора ЛАТР выставить на электронагревателе 
необходимую мощность N, замеряя ее ваттметром ROBITON.
3. Рассчитать среднее значение площади ограждения камеры 
по формуле (2). Размеры камеры в плане 1,9×1,9 м, высота камеры 
2,15 м; толщина изоляции 0,1 м на всех стенках, включая пол и 
потолок камеры.
4. Замерить температуру в восьми точках с интервалом 10 мин 
(см. рис. 4). Длительность измерения — 1 ч. Показания записать 
в Протокол испытаний (приложение 1).
5. Рассчитать коэффициент K теплопередачи по формуле (1).
6. Сравнить значения нормативного коэффициента Kнор  
и значение коэффициента, полученное в эксперименте.
7. Составить групповой отчет (приложение 2).

РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ ИЗОЛЯЦИИ  
ХОЛОДИЛЬНОЙ КАМЕРЫ

К теплоизоляционным материалам, применяемым в ограждении 
холодильных камер, предъявляют высокие требования. Коэффициент  
λиз  теплопроводности изоляции ограждения должен быть 
0,03...0,05 Вт/(м ⋅ К), а плотность 30…250 кг/м3 (табл. 1). Материалы 
должны иметь микропористую структуру с объемом пор 90…98 %, 
обладать свойством гидрофобности (плохо увлажняться при соприкосновении 
с водой), достаточной прочностью на изгиб (не менее 
1590 кПа) и сжатие (до 40 кПа), быть морозостойкими (не разрушаться 
и мало изменять свои свойства при многократном замораживании 
и оттаивании), не иметь запаха и не выделять вредных 
летучих компонентов, быть трудносгораемыми или самозатухающими (
не гореть при удалении огня).
Таблица 1

Характеристики теплоизоляционных материалов

Материал
Плотность  
материала, кг/м3
Коэффициент теплопроводности, 
Вт/(м ⋅ К)

Пенополиуретан
25–50
0,035–0,040

Пенополистирол экструдированный
20–80
0,035–0,040

Пенополивинилхлорид
60–120
0,040–0,055

Пенопласт фенольно-резольный
40–60
0,040–0,050

В тепловых процессах теплоносители, участвующие в передаче 
теплоты, часто разделены перегородкой (стенкой). Процесс теплопередачи 
включает перенос теплоты от потока первого теплоносителя 
к стенке (теплоотдача), через стенку (теплопроводность)  
и от стенки к потоку второго теплоносителя (теплоотдача). 
Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество 
теплоты переходит в единицу времени от более нагретого теплоносителя 
к менее нагретому через 1 м2 теплообменной поверхности 
при разности значений температуры теплоносителей, равной 1 К.

Рассмотрим процесс передачи теплоты 
через однослойную плоскую стенку (рис. 5) 
поверхностью F и толщиной δи коэффициентом 
теплопроводности λ,  который 
описывается приведенными далее зависимостями. 
При известных значениях температуры 
горячего tж1 (окружающая среда) 
и холодного tж2  (внутренний объем холодильной 
камеры) теплоносителя, а также 
коэффициентов теплоотдачи от горячего 
α1и холодного α2  теплоносителей решение 
сводится к определению теплового 
потока и температуры внутренней и наружной 
поверхности стенки (граничные 
условия третьего рода).
Принимая во внимание условие постоянства 
теплового потока, можно записать 
ряд равенств:

 
q
R t
t
q
K t
t
Q
qF
KF t
t
=
−
(
)
=
−
(
)
=
=
−
(
)
1
1
2
1
2
1
2
ж
ж
ж
ж
ж
ж
;
;
,

(3)

где q — удельный тепловой поток, Вт/м2; Q — полный тепловой 
поток, Вт; F — площадь теплообмена, м2.
В равенствах (3) первое уравнение определяет количество  
теплоты, передаваемой конвекцией (и излучением) от горячего 
теплоносителя к стенке; второе уравнение — то же количество 
теплоты, передаваемой теплопроводностью через стенку; третье 
уравнение — то же количество теплоты, передаваемой конвекцией 
(и излучением) от стенки к холодному теплоносителю.
Выделим из равенств (3) разности значений температуры:

t
t
q
R q
ж
с
1
1
1

1
1 1
1
−
=
=
α
;

 
t
t
q
R q
с
с
1
2
1

1
2
2 2
−
=
=
δ
λ
; 
(4)

t
t
q
R q
с
ж
2
2
2

3
3 3
1
−
=
=
α
,

где tc1, tc2 — температура стенки.

Рис. 5. Теплопередача 
через однослойную плос- 
кую стенку

Складывая левые и правые части уравнений (4), характеризующих 
разности значений температуры, и учитывая, что q
q
q
q
=
=
=
1
2
3,  
получим выражение для итоговой разности значений температуры:

 
t
t
q
R
R
R
q
Rq
ж
ж
1
2
1

1

1
2
1
2
3
1
1
−
=
+
+






=
+
+
(
)
=
α
δ
λ
α
,  
(5)

где R
R
R
R
=
+
+
1
2
3 — термическое сопротивление стенки, (м2
 ⋅ К)/Вт.
Отсюда следует выражение для плотности теплового потока 
(уравнение теплопередачи плоской стенки):

 
q
R t
t
q
K t
t
Q
qF
KF t
t
=
−
(
)
=
−
(
)
=
=
−
(
)
1
1
2
1
2
1
2
ж
ж
ж
ж
ж
ж
;
;
. 
(6)

Коэффициент теплопередачи имеет вид

 
K
R
R
R
R
=
=
+
+
=
+
+

1
1
1

1
1
1
2
3

1

1

1
2
α
δ
λ
α

, 
(7)

где R
R
R
1
1

2
3

2

1
1
=
=
=
α

λ
δ
α
;
;
— соответственно термическое сопро-

тивление со стороны горячего теплоносителя (окружающей среды), 
теплопроводности однослойной плоской стенки и термическое 
сопротивление со стороны холодного теплоносителя (внутреннего 
объема камеры).
Температура внутренней и наружной поверхности стенки определяется 
из следующих соображений:

 
q
K t
t
t
t
t
t
t
t
=
−
(
) =
−
(
) =
−
(
) =
−
(
)
ж
ж
ж
с
с
ж
с
с
1
2
1
1
1
2
2
2
1
2
α
α
λ
δ
. 
(8)

Отсюда

 
t
t
q
t
q
с
ж
ж
1
1
1
2
2

1
1
=
−
=
+
+






α
α

δ
λ ; 

(9)

t
t
q
t
q
с
ж
ж
2
2
2
1
1

1
1
=
+
=
−
+






α
α

δ
λ .

В случае многослойной стенки, состоящей из n слоев (рис. 6)
тепловой поток и плотность теплового потока определяются по 
уравнениям, аналогичным уравнениям (3)–(9) для однослойной 
плоской стенки, за исключением того, что термическое сопротивление 
и, следовательно, коэффициент теплопередачи определяются 
с учетом термического сопротивления каждого слоя: