ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ОРЕБРЕННУЮ СТЕНКУ

Один из способов интенсификации передачи теплоты через стенку, разделяющую две жидкие или газообразные среды с температурами Т_ж1 и Т_ж2 (Т_ж1 > Т_ж2), заключается в увеличении одной из поверхностей стенки путем ее оребрения. Оребрение стенки всегда выполняют со стороны той среды, которая характеризуется меньшим коэффициентом теплоотдачи. Тем самым уменьшается сопротивление теплоотдаче на оребренной поверхности стенки. При этом уменьшается полное термическое сопротивление теплопередаче и увеличится тепловой поток, а температура поверхности такой стенки приблизится к температуре омывающей ее среды. Поэтому наличие ребер может использоваться как средство интенсификации процесса теплопередачи или как средство снижения температуры стенки.

Эффективность этого способа высока, если термическое сопротивление теплоотдачи на той поверхности, где устанавливаются ребра, значительно больше термического сопротивления на другой поверхности и термического сопротивления теплопроводности стенки.

Рассмотрим теплопередачу через ребристую стенку, изображенную на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Теплопередача через оребренную стенку

Температура ребра изменяется по его длине. При Т_ж1 > Т_ж2, температура ребра, равная у его основания температуре поверхности между ребрами Т_ст2, будет уменьшаться к их концу. Температуру среды Т_ж2 можно считать неизменной для всей поверхности, и поэтому участки поверхности ребра, удаленные от основания, будут передавать меньше теплоты, чем участки, расположенные вблизи основания ребра. Отношение количества теплоты Q_р , передаваемой поверхностью ребер в окружающую среду, к теплоте Q'_р, которую эта поверхность могла бы передать при постоянной температуре стенки, равной температуре у основания ребер , называется коэффициентом эффективности ребер:

η_р = Q_р/Q'_р. (5.30)

В реальных условиях η_р < 1. Для коротких ребер, выполненных из материала с большим коэффициентом теплопроводности, коэффициент эффективности ребер близок к единице.

Определим тепловой поток через стенку, гладкая поверхность которой имеет площадь F₁, а оребренная поверхность – F₂. Стенка и ребра выполнены из одного материала с высоким коэффициентом тепло-проводности λ. Площадь F₂ складывается из площади боковой поверх-ности ребер F_р и площади межреберных участков F_м. При стационарном режиме передача теплоты от горячего теплоносителя к стенке (коэффи-циент теплоотдачи α₁) , через стенку и от стенки к холодному теплоно-сителю при одинаковом коэффициенте теплоотдачи α₂ для всей поверх-ности F₂ выразится формулами:

Q = α₁(Т_{ж1 –} Т_ст1)F₁; (5.31)

Q=(λ/δ)(Т_{ст1 –} Т_ст2)F₁; (5.32)

Q = Q_р + Q_м. (5.33)

Так как

Q_р = η_р Q'_р = η_р α₂(Т_ст2 – Т_ж2)F_р

и

Q_м = α₂(Т_ст2 – Т_ж2)F_м,

то уравнению (5.33) можно придать вид:

Q = α₂(Т_ст2 –Т_ж2)(F_м + η_р F_р). (5.34)

Исключив из уравнений (5.31), (5.32) и (5.34) температуры Т_ст1 и Т_ст2, получим уравнение для теплового потока через оребренную стенку:

Q = (Т_{ж1 –} Т_ж2) /{1/(α₁F₁) + (1/F₁)(δ/λ) +(1/α₂)[1/(F_м + η_рF_р)]}. (5.35)

Этому уравнению удобно придать вид:

Q =k_р(Т_{ж1 –} Т_ж2)F₁, (5.36)

где k_р – коэффициент теплопередачи оребренной стенки, который определяется формулой:

k_р =1/{1/α₁ + δ/λ + (1/α₂)[F₁/(F_м + η_р F_р)]}. (5.37)

Точное значение коэффициента теплопередачи для оребренных по-верхностей может быть определено только экспериментальным путем.

Контрольные вопросы

1. Что называется теплопередачей?
2. Что называется коэффициентом теплопередачи?
3. Формула для определения плотности теплового потока через однослойную плоскую стенку.
4. Коэффициент теплопередачи через однослойную плоскую стен-ку.
5. По какой формуле определяется полное термическое сопротив-ление через однослойную плоскую стенку?
6. Как определяются температуры поверхностей плоской стенки?
7. Коэффициент теплопередачи и полное термическое сопротивление через многослойную плоскую стенку.
8. Формула для линейной плотности теплового потока через однослойную цилиндрическую стенку.
9. Линейный коэффициент теплопередачи для однослойной цилиндрической стенки.
10. Как определяются температуры внутренней и наружной поверхностей однослойной цилиндрической стенки?
11. Линейный коэффициент теплопередачи для многослойной цилиндрической стенки.
12. Определение температур поверхностей многослойной стенки, соприкасающихся с теплоносителем.
13. Какие материалы относятся к теплоизоляционным?
14. В каком случае при покрытии изоляцией труб можно получить не уменьшение, а увеличение тепловых потерь?
15. По какой формуле определяется критический диаметр изоляции и чему он соответствует?
16. Какое условие должно выполняться, чтобы изоляция вызвала уменьшение тепловых потерь?
17. Со стороны какой среды выполняют оребрение стенки и поче-му?
18. В каком случае оребрение стенки будет высокоэффективным?
19. Что называется коэффициентом эффективности ребер? В каком
20. Формула для теплового потока через оребренную стенку.
21. Коэффициент теплопередачи оребренной стенки.