Способы интенсификации процессов теплопередачи

Интенсификация теплопередачи

Для интенсификации переноса теплоты через стенку согласно расчету теплового потока нужно либо увеличить перепад температур между теплоносителями t_ж1 – t_ж2, либо уменьшить термическое сопротивление теплопередачи R_к. Температуры теплоносителей обусловлены требованиями технологического процесса, поэтому изменить их обычно не удается.

Термическое сопротивление R_Ʀ можно уменьшить различными способами, воздействуя на любую из составляющих R_α1, R_λ, R_α2. Интенсифицировать конвективный теплообмен и уменьшить термическое сопротивление теплоотдачи можно путем увеличения скорости движения теплоносителя,

турбулизации пограничного слоя и т.д. Термическое сопротивление теплопроводности R_λ зависит от материала и толщины стенки. В широко используемом в технике процессе передачи теплоты от капельной жидкости к газу через металлическую стенку наибольшее термическое сопротивление имеет место в процессе теплоотдачи от газа к стенке R_α2, а остальные термические сопротивления R_α1 и R_λ пренебрежимо малы по сравнению с ним.

В таких случаях для интенсификации теплопередачи очень часто оребряют ту поверхность стенки (рис. 12.2), теплоотдача от которой менее интенсивна. За счет увеличения площади F₂ оребренной поверхности стенки термическое сопротивление теплоотдачи с этой стороны стенки R_α2 = 1/ α₂F₂ уменьшается и соответственно уменьшается значение R_Ʀ. Аналогичного результата можно было бы достигнуть, увеличив α₂, но для этого обычно требуется дополнительные затраты мощности на увеличение скорости течения теплоносителя.

Рис 12.2 Теплоотдача через оребренную поверхность

Ребра, имеющие форму пластин, стержней или любую другую, одним концом плотно прикрепляют к теплоотдающей поверхности с помощью сварки, пайки или изготовляют как целое со стенкой. Ребристыми выполняют радиаторы отопления, корпуса двигателей и редукторов, радиаторы для охлаждения воды в двигателях внутреннего сгорания и т.д.

Термическое сопротивление теплоотдачи R_α2 за счет оребрения поверхности уменьшается пропорционально коэффициенту оребрения (отношению площади оребренной поверхности к площади гладкой поверхности до ее оребрения), т.е К_ор = F_ор/F_гл, и рассчитывается по обычному соотношению R_{α ор} = 1/(α₂F_ор), но только в том случае, когда термическое сопротивление теплопроводности самих ребер значительно меньше термического сопротивления теплоотдачи от них:

где l_p— длина ребра; S_p— площадь поперечного сечения ребра; F_p — площадь поверхности ребра.

При большом термическом сопротивлении теплопроводности ребер температура по мере удаления от основания ребра приближается к температуре теплоносителя и концы ребер работают неэффективно.

Как правило, установка ребер приводит к некоторому снижению коэффициентов теплоотдачи конвекцией и излучением, поэтому реально эффект будет несколько ниже. Более точные расчеты следует выполнять по формулам, рекомендованным в справочниках для конкретного вида оребрения.

Тепловая изоляция

Для уменьшения потерь теплоты многие сооружения, агрегаты, коммуникации приходится теплоизолировать, покрывая их стенки слоем материала с малой теплопроводностью [λ

Очень сильно растет теплопроводность при увлажнении пористых теплоизоляторов. Поры заполняются водой, теплопроводность которой на порядок выше , чем воздуха, и, кроме того, за счет капиллярных явлений вода может перемещаться внутри пор, усиливая таким образом перенос теплоты. Вероятно, каждый на собственном опыте убеждается, насколько хуже влажная одежда защищает человека от холода.

Добавляя связующие вещества, их волокнистых и порошковых материалов получают теплоизоляционные плиты, блоки, кирпичи. В последнее время широкое распространение получили искусственно вспученные материалы из застывшей пены (пенопласты, вермикулит, пенобетоны и т. д.), обладающие хорошим теплоизоляционными свойствами из-за их большой пористости.

Еще лучшими свойствами обладают вакуумно-многослойные и вакуумно-порошковые теплоизоляционные материалы. Перенос теплоты теплопроводностью через поры в таких теплоизоляторах уменьшается путем создания глубокого вакуума, а для уменьшения переноса теплоты излучением служит либо порошок, либо ряд слоев фольги с малой степенью черноты, выполняющих роль экранов. Вакуумно-многослойная теплоизоляция сосудов для хранения сжиженных газов имеет эффективный коэффициент теплопроводности λ_эф ≈ 10 -4 Вт/(м·К).

Расчет теплоизоляции проводят по формуле теплопередачи (12.7), причем допустимые теплопотери обычно известны, а в результате расчета находят толщину слоя теплоизоляции δ, которая входит в выражение R_λ. Иногда в условии задается температура наружной стенки t_с2 например, в зоне работы обслуживающего персонала она не должна превышать 50 °C. В этом случае допустимые теплопотери с 1 м 2 поверхности теплоизолируемого объекта определяются по формуле : q = α₂(t_c2 – t_ж2), где t_ж2 – температура воздуха в помещении.

Вид теплоизолятора выбирают по температуре и физико-химическим свойствам теплоносителей. Каждый теплоизолятор имеет вполне определенную предельную температуру t_пр, при которой он еще сохраняет свои свойства.

Высокотемпературную теплоизоляцию различных печей делают многослойной, поскольку теплоизоляторы с высокой предельной температурой обычно дороги имеют большую теплопроводность. Толщина внутреннего слоя теплоизолятора такой, чтобы температура на его наружной поверхности не превышала предельную температуру следующего более дешевого слоя, т.е. расчет проводят последовательно, начиная от внутреннего, самого жаростойкого теплоизолятора.

Теплофизические свойства теплоносителей и теплоизоляторов зависят от температур, большинство из которых в начале расчета неизвестны, поэтому ими приходится задаваться и расчет проводит методом последовательных приближений.

Выбор теплоизолятора для трубопроводов.Увеличение толщины слоя изоляции на плоской стенке увеличивает ее термическое сопротивление R_λ, но одновременно уменьшает R_α = 1/α₂F₂ из-за увеличения наружной поверхности F₂ = πd₂l. При некоторых условиях может получиться на первый взгляд парадоксальный результат – утолщение теплоизоляции приводит к уменьшению суммарного термического сопротивления теплопередачи R_Ʀ и соответственно к увеличению теплопотерь. Оказывается, теплоизоляция на трубе эффективно работает только в том случае, если ее наружный радиус больше некоторого критического значения r_кр. Для его определения приравняем нулю производную по r₂ от полного термического сопротивления теплопередачи R_Ʀ = R_α1 + R_{λ тр} + R_{λ из} + R_α2, где R_{λ из} и R_{λ тр} – термические сопротивления слоя изоляции и стенки трубы. В результате получим r_кр = λ_из/α₂; d_кр = 2λ_из/α₂.

Например, в случае теплоизоляции труб, находящихся в помещении [α₂ ≈ 10 Вт/(м·К) ], совелитом [λ_из ≈ 0,1 Вт/(м·К) ] значение критического диаметра будет равно d_кр = 2 · 0,1/10 = 0,02 м.

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

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