Пути интенсификации теплообмена в теплообменниках

Проанализировав формулу (14.1), нетрудно выделить три пути интенсификации теплообмена в теплообменниках.

1. Увеличение перепада температур теплоносителей, т.е. повышение температуры более горячего теплоносителя в нагревателях или понижение температуры более холодного теплоносителя в охладителях.

2.Увеличение площади теплообмена. Конструктивно это достигается, например, путем оребрения труб теплообменника (рис. 14.7).

3. Увеличение коэффициента теплопередачи

Это может быть достигнуто различными способами. Нужно учитывать, какой член в знаменателе приведенного выше выражения вносит больший вклад в значение k.

Если , то необходимо увеличивать коэффициенты теплоотдачи. Это может быть достигнуто увеличением скорости течения теплоносителя, применением более шероховатых стенок труб, организацией пузырькового кипения и т. д.

Рис. 14.7. Теплообменный аппарат с оребрением

Если , то необходимо уменьшать толщину стенки труб или использовать материал с более высоким коэффициентом теплопроводности (алюминий, медь, серебро).

Кроме того, интенсифицировать теплообмен можно путем увеличения доли лучистого теплообмена в общем теплообмене. Это достигается следующими путями:

-повышением давления газа, если в качестве теплоносителя применяется газ (это приводит к увеличению ε);

-повышением температуры теплоносителя (q_л≈Т⁴);

-увеличением степени черноты теплоносителя или стенки теплообменника.

Тепловая изоляция

Теплоизоляторами считаются вещества, у которых коэффициент λ<0,2 Вт/(м×К). К ним относятся асбест, стекловата, мипора и им подобные. Как правило, это вещества, состоящие из волокнистой, пористой или порошковой основы, заполненной воздухом. Сама основа в плотном состоянии имеет λ≈1 Вт/(м×К). В качестве теплоизолятора здесь выступает воздушная прослойка, для которой λ≈0,02 Вт/(м×К). Основа же препятствует возникновению свободной конвекции воздуха и переносу теплоты излучением.

В качестве эффективной теплоизоляции используется вакуумно-могослойная изоляция, применяющаяся, например, в термосах и сосудах Дьюара. Причем оттенки такой изоляции выполняются, как правило, из зеркальных поверхностей (с малой степенью черноты). Это уменьшает лучистый тепловой поток. В пространстве между стенками откачивают воздух. Это уменьшает коэффициент теплопроводности до 10^-4 Вт/(м×К).

В случае теплоизоляции плоской стенки

ясно, что путем увеличения толщины изоляции δ_из, и выбора лучшего теплоизолятора (с меньшим λ_из), мы можем уменьшить тепловой поток через стенку.

Несколько иначе обстоит дело с изоляцией трубопроводов (рис. 14.8).

Рис. 14.8. К расчету диаметра изоляции трубы

Согласно (12.8) в этом случае

(14.11)

Как видно, величина r_из (а именно она определяет толщину изоляции) входит в третий и четвертый член знаменателя выражения (14.11). Причем в первом случае r_из — в числителе дроби, а во втором — в знаменателе, Таким образом, простой анализ выражения (14.11) не позволяет определить, что произойдет с величиной k_l при увеличении r_из.

Проведем более подробный анализ. Для удобства будем рассматривать не k_l, а термическое сопротивление . Исследуем функцию на экстремум.

Условие экстремума

Откуда

(14.12)

Значение радиуса, определяемое из выражения (14.12), называется критическим радиусом r_кр.

Найдем вторую производную по r_из от R_l

Определим знак этой производной при :

(14.13)

Поскольку в выражении α₂>0 и λ_из>0, то . Это условие минимума функции.

Приведенный выше анализ позволяет сделать вывод, что при значении r=r_кр термическое сопротивление R_l имеет минимальное значение, следовательно, коэффициент теплопередачи k_l — максимальное. Значит, и удельный тепловой поток при этом максимальный.

Заметим, что значение критического диаметра определяется только свойствами материала теплоизоляции (λ_из) и условиями теплообмена с окружающей средой (α₂). Это значение можно определить заранее.

Если окажется при этом, что радиус трубопровода r₂>r_кр (рис. 14.9), то при увеличении толщины теплоизоляции тепловой поток, переносимый через стенки в окружающую среду, уменьшается (по аналогии с плоской стенкой).

Рис. 14.9. Зависимость теплового потока от радиуса трубы и толщины изоляции

Для трубопроводов малых диаметров (r₂<r_кр) существует некоторый интервал значений r₂<r_из<r_кр на котором при использовании изоляции наблюдается рост .

В этом случае выбранный материал для изоляции не подходит и нужно выбрать другой материал с меньшим значением λ_из, таким, чтобы удовлетворялось неравенство r_кр£r_2.