Какими способами можно интенсифицировать теплопередачу

Интенсификация теплопередачи

Рассмотрим два способа увеличения коэффициента теплопередачи, а, следовательно, и количества теплоты передаваемого через стенку – конструктивный и режимный.

А. Конструктивный способ интенсификации теплопередачи

Изменение конструкции теплопередающей поверхности с целью увеличения коэффициента теплопередачи можно осуществить за счет уменьшения термического сопротивления теплопроводности стенки и термического сопротивления теплоотдачи со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи.

Для уменьшения термического сопротивления теплопроводности стенки необходимо уменьшить толщину стенки и использовать материалы с высоким коэффициентом теплопроводности .

Термическое сопротивление теплоотдачи можно уменьшить, если со стороны меньшего увеличить поверхность теплообмена за счет ее оребрения. Для доказательства этого утверждения запишем единую формулу теплопередачи при допущении малости термического сопротивления теплопроводности ()

.

Пусть . Откуда следует, что при равенстве площадей термическое сопротивление теплоотдачи около второй поверхности много больше термического сопротивления теплоотдачи около первой поверхности

или .

Поэтому для уменьшения необходимо увеличить площадь F₂ до выполнения условия

или ,

где – площадь оребренной поверхности.

Профиль ребра может быть прямоугольной, треугольной, трапециевидной и, в общем случае, произвольной формы (см. рис.3.3).

а) плоская стенка (F₁=F₂) б) оребренная стенка (α₂ оребр >F₁)

Рис. 3.3. Конструктивный способ интенсификации теплопередачи

за счет оребрения поверхности

Б. Режимный способ интенсификации теплопередачи

Выясним влияние коэффициентов теплоотдачи и на величину коэффициента теплопередачи k. Для этого запишем формулу коэффициента теплопередачи через плоскую стенку при допущении малости термического сопротивления теплопроводности стенки ()

,

где – коэффициент теплопередачи, рассчитанный при допущении .

Рассмотрим два крайних случая соотношения коэффициентов теплоотдачи:

а) если , (пусть ), то в этом случае из последней формулы следует, что ;

б) если , (пусть ), то в этом случае .

Таким образом, коэффициент теплопередачи не может быть больше меньшего из коэффициентов теплоотдачи, т.е. .

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что для увеличения коэффициента теплопередачи необходимо увеличивать меньший коэффициент теплоотдачи за счет изменения режима движения теплоносителя.

Источник

Интенсификация теплообмена в аппаратах

Пассивные и активные методы

В настоящий момент существует большое количество методов интенсификации теплообмена, которые различаются степенью интенсификации и увеличением гидравлического сопротивления в аппарате.

Все методы интенсификации теплообмена можно разделить на:

1. Пассивные – не требуют подвод дополнительной энергии
2. Активные – требуют подвод дополнительной энергии

Наиболее широко распространены пассивные методы, которые не требуют подвода дополнительной энергии для их работы в отличие от активных – вибрации, вращения теплообменной поверхности, акустических, электростатических полей и др.

Способы интенсификации в каналах

Говоря об интенсификации в каналах теплообменных аппаратов, имеют ввиду интенсификацию конвективного теплообмена.
Основными способами интенсификации конвективного теплообмена в теплообменных аппаратах являются:

1. Изменение термического сопротивления.
2. Изменение скорости потока.
3. Использование развитых поверхностей теплообмена путем оребрения и ошиповки. Оребрение поверхности применяется со стороны теплоносителя, обладающего меньшим коэффициентом теплоотдачи. Оребрение поверхности теплообмена целесообразно не только по высоким значениям коэффициента теплопередачи, но и по весовым показателям, так как поверхность оребрения, в 5-10 раз превосходящая несущую поверхность трубок, не подвержена давлению, а поэтому оребрение изготавливается из более тонкого материала, чем трубки, тем самым обеспечивается значительный весовой эффект.
4. Воздействием на поток с целью его искусственной турбулизации. При значениях критерия Рейнольдса, соответствующих ламинарному и переходному режимам за счет искусственной турбулизации достигаются значения коэффициента теплоотдачи, характерные для развитого турбулентного потока.

Однако эффективность искусственной турбулизации потока с увеличением значения критерия Рейнольдса снижается, при этом темп роста сопротивления превалирует над темпом роста теплоотдачи.

Примеры интенсификации в ТА

Кожухотрубные аппараты (трубное пространство)

Интенсификация трубного пространства кожухотрубных аппаратов выполняется либо в виде металлических вставок, либо в виде изменения стенки трубы с гладкой на профилированную путем ее деформации.

Такие меры интенсификации приводят к созданию псевдотурболизации потока, изменению его тангенсальной скорости, созданию различных вихрей.

Витая лента

Профилированные трубы

Витые трубы

Кожухотрубные аппараты (межтрубное пространство)

Интенсификация межтрубного пространства осуществляется посредством установки различных перегородок, которые создают перпендикулярное направление при обтекании пучка труб потоком.

Примеры интенсификации в АВО

Интенсификация трубного пространства АВО аналогична КТА (см. выше).
Рассмотрим лишь различные виды оребрения с дополнительной интенсификацией в виде надрезов и перфорации ребер.

Источник

Основное уравнение теплопередачи. Пути интенсификации теплообмена.

Основные понятия и определения. Способы переноса теплоты.

Тепловые процессы описываются теорией теплообмена.

Теплообмен – процесс переноса теплоты между телами имеющими различную температуру.

Движущей силой тепловых процессов является разность температур.

Тела, которые участвуют в процессе теплообмена, называют теплоносителями. Тело с более высокой температурой называют горячим теплоносителем, а с меньшей холодным теплоносителем.

В природе существует три способа переноса теплоты:

Теплопроводностью называют процесс переноса теплоты за счет теплового беспорядочного движения микрочастиц, этот перенос происходит внутри твердых тел.

Конвекция – процесс переноса теплоты за счет движения и перемешивания достаточно крупных объемов газа или жидкости. Выделяют свободную и вынужденную конвекцию.

Движущей силой свободной конвекции является разность плотностей, которая вызвана, разностью температур.

Тепловое излучение – процесс переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую, которая проходит через пространство, и затем сново превращается в тепловую при поглащении ее другим телом.

Согласно закона Стефана-Больцмана:

(1)

Т.е. количество теплоты излучаемое в единицу времени телом , Вт., пропорционально поверхности излучающего тела ,м. и абсолютной температуре этого тела в четвертой степени. В формуле С-коэффициент пропорциональности (лучеиспускания)

(2)

где Вт/м 2 К 4 – коэффициент лучеспускания абсолютно черного тела, — степень черноты тела (табличное значение).

По закону Кирхгофа поглащающая способность и степень черноты равны между собой.

Тогда количество тепла, отданого телом с абсолютной температурой Т₁ окружающим его более холодным телам с температурой Т₂, находится как

(3)

— приведеная степень черноты системы

F – условная расчетная поверхность теплообмена, м 2 .

Перечисленные виды передачи теплоты редко встречаются в чистом виде. В промышленности, как правило, теплота переносится комбинированным путем.

В промышленной практики основными являются следующие способы передачи теплоты:

Теплоотдача – процесс переноса теплоты от жидкости к стенке и наоборот.

Теплопередача – процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку.

Тепловой баланс.

В пищевой промышленности применяют два типа теплообменников:

—поверхностные (теплота от холодного теплообменника к горячему передается через разделяющую их стенку): кожухотрубные, пластинчатые, змеевиковые, спиралные и др. теплоообменники.

—смешения (горячий и холодный теплоносители перемешиваются друг сдругом)

Рассмотрим тепловой баланс теплообменника типа труба в трубе:

Примем допущение, что 1-это горячий теплоноситель, тогда поток теплоты передается от 1 теплоносителя к 2.

Поток переданной теплоты будет равен

, Вт (1)

(2)

где — энтальпия теплоносителей Дж/кг

Энтальпия зависит от температуры и давления теплоносителя, и является табличной величиной также ее можно рассчитать, как произведение удельной теплоемкости жидкости с, Дж/кг град. на температуру в о С.

(3)

Таким образом зная колличество жидкости (массовый расход кг/с), которое необходимо нагреть, можно найти расход горячего теплоносителя.

(4)

Как правило, в пищевой промышленности горячим теплоносителем является пар, т.к. он обладает очень большой теплоемкостью и при его конденсации выделяется огромное кол-во энергии. И ищут расход именно пара.

Различают влажный, насыщенный и перегретый пар

Для этого вводят понятие степень сухости — (5)

При пар называют влажным

пар насыщенный(см. рисунок)

Если пар на линии насыщения еще больше нагрет, он будет называться перегретым.

В таблицах даны значения энтальпии воды и пара на линии насыщения при различных температуре и давлении. Для расчета энтальпии влажного пара применяют зависимость:

(6)

Весьма удобно пользоваться диаграммами влажного пара.

Максимальное количество энергии насыщенный пар отдает при своей полной конденсации, в таком случае уравнение теплового баланса принимает вид

(7)

где — расход пара, кг/с

— удельная теплота паробразования

— энтальпия насыщенного пара и воды на линии насыщения, Дж/кг

Основное уравнение теплопередачи. Пути интенсификации теплообмена.

Теплопередача – процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку.

tЖ2

tЖ1

,Вт (1) – основное уравнение теплопередачи

— коэф. теплопередачи, Вт/м 2 К

— площадь поверхности теплопередачи, м 2

— средний температурный напор, К.

Коэффициент теплопередачи показывает, какое кол-во теплоты передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 секунду через 1м 2 поверхности стенки при среднем температурном напоре в 1 о К.

Для плоской стенки коэф. теплопередачи равен:

(2)

-коэф. теплоотдачи, Вт/м 2 К

-коэф. теплопроводности стенки, Вт/м К

-суммарное термическое сопротивление загрязнений, м 2 К/Вт

— толщина стенки, м.

(3)

Уравнение (2) не подходит для расчета теплопередачи через цилиндрическую стенку. В таком случае пользуются следующими зависимостями:

(4)

(5)

— средний диаметр стенки, м (6)

Площадь цилиндрической поверхности стенки также рассчитывают по среднему диаметру.

Пути интенсификации теплообмена: (они видны из ур. (2) и (1))

1-увеличение скорости движения теплоносителей (это даст увеличение коэф. теплоотдачи )

2-обеспечение отвода воздуха и несконденсировавшихся паров из теплообменников (также увеличивает )

3-уменьшение термического сопротивления стенок и загрязнений

4-увеличение средней разности температур, более предпочтительно противоточное движение теплоносителей

5-использовать оребрение (увеличивает теплопередающую поверхность)

Источник