Теплопередача. Сложный теплообмен.

1. Интенсификация теплопередач, тепловая изоляция.
2. Типы теплообменных аппаратов.

1 Разделение теплопереноса на теплопроводность, конвекцию и излучение удобно для изучения этих процессов. Но в действительности очень часто встречается сложный теплообмен, при котором теплота передается двумя или даже всеми тремя способами одновременно.

Рассмотрим процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. Такой процесс называется теплопередачей.

Сначала теплота передается от горючего теплоносителя t_Ж1 к одной из поверхностей стенки путем конвективного теплообмена. Интенсивность процесса теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи α₁.

Затем теплота теплопроводностью переносится от одной поверхности стенки к другой. И наконец, теплота опять путем конвективного теплообмена, характеризуемого коэффициентом α₂, передается от поверхности стенки к холодной жидкости.

При стационарном режиме тепловой поток во всех трех процессах одинаков, а перепад температур складывается из трех составляющих:

1 ) между горячей жидкостью и поверхностью стенки.

Обозначим R_α = , тогда по закону Ньютона - Рихмана → [Q = ]

t_C1 – t_Ж1 = Q/ (α₁ ∙ F₁) = Q ∙ R_α1

2 ) между поверхностями стенки: Q =

t_C1 – t_C2= Q ∙ R_λ

3 ) между второй поверхностью стенки, площадь которой может быть отлична от ( например для цилиндрической стенки ) и холодной жидкостью:

t_C2 – t_Ж2 = = Q ∙ R_α1

Просуммировав, левые и правые части выражений получим:

t_Ж1 – t_Ж2 = Q

откуда

Q =

Величина R_α = - называется термическим сопротивлением теплоотдачи, а суммарное термическое сопротивление

R_k - термическим сопротивлением теплопередачи.

R_λ - сопротивление теплопроводности.

В случае теплопередачи через плоскую стенку, для которой R_λ = δ/ (λ∙F), а площади поверхностей плоской стенки одинаковы с обеих сторон ( F₁ = F₂ = F )

удобнее рассчитывать плотность теплового потока q.

Q =

где - коэффициент теплопередачи.

Он характеризует интенсивность процесса теплопередачи от одного теплоносителя к другому через разделяющую их плоскую стенку.

Численное значение коэффициента теплопередачи равно тепловому потоку через 1 м разделяющий их плоской стенки при разности температур теплоносителей в 1 К. В случае многослойной стенки вместо отношения δ∕λ следует подставлять сумму этих отношений для каждого слоя.

Следует обратить внимание на различие между коэффициентами теплопроводности , теплоотдачи , и теплопередачи .

Эти коэффициенты характеризуют интенсивность различных процессов, по разному рассчитываются.

Коэффициент теплопередачи есть чисто расчетная величина, которая определяется коэффициентами теплоотдачи с обеих сторон стенки и ее термическим сопротивлением.

- Для интенсификации переноса теплоты очень часто оребряют ту поверхность стенки, теплоотдачи от которой менее интенсивна, согласно формуле

R_α = , чем F > , тем R_α < .

2 Для уменьшения потерь теплоты многие агрегаты приходится теплоизолировать, покрывая их стенки слоем материала с малой теплопроводностью [ λ < 0.2 Вт/(м∙К) ] такие материалы называются теплоизоляторами.

Большинство теплоизоляторов состоит из волокнистой, порошковой или пористой основы, заполненной воздухом, а основа лишь препятствует возникновению естественной конвекции воздуха и переносу теплоты излучением.

Сама основа в плотном состоянии обычно обладает достаточно высокой теплопроводностью [ λ ≈ 1 Вт/(м∙К) ], поэтому с увеличением плотности набивки минеральной ваты, асбеста или другого теплоизолятора их теплопроводность возрастает.

С увеличением tº коэффициент теплоизоляции растет из-за увеличения теплопроводности воздуха.

Очень сильно растет теплопроводность при увлажнении пористых теплоизоляторов. Поры заполняются водой, теплопроводность которой на порядок выше, чем воздуха.

В последнее время широкое распространение получили иркутсвенно вспученные материалы из застывшей пены ( пенопласт, пенобетоны ), обладающие хорошими теплоизоляционными свойствами из-за их большой пористости.

3 Теплообменный аппарат ( теплообменник )- это устройство, предназначенное для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоносителя.

Чаще всего нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого.

Теплообменники с двумя теплоносителями в зависимости от способа передачи теплоты от одного теплоносителя к другому можно разделить на несколько типов:

- смесительные,

- рекуперативные,

- регенеративные,

- с промежуточными теплоносителями.

1 ) наиболее простыми и компактными являются смесительные теплообменники, в которых смешиваются теплоносители, не требующие дальнейшего разделения, например при подогреве воды паром, используют теплообменники для легко разделяющихся теплоносителей: газ - жидкость, вода - масло, газ - твердый материал и т.д.

Примером смесительного теплообменника может служить градирня, используемая для охлаждения воды потоком атмосферного воздуха. Такими теплообменниками оборудованы многие производства, где требуется сбросить теплоту в окружающую среду.

2 ) в рекуперативных теплообменниках теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку. Для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводностью: меди, стали, латуни, сплава алюминия.

наиболее распространены трубчатые теплообменники. В которых один теплоноситель движется в трубах, а другой - в межтрубном пространстве.

3 ) регенеративные теплообменники и с промежуточным теплоносителем работают по одному и тому же принципу: теплота от одного теплоносителя к другому переносится с помощью какого-то третьего вспомогательного вещества. Это вещество нагревается в потоке горячего теплоносителя, а затем отдает аккумулированную теплоту холодному теплоносителю. По такому принципу работают стеклоплавильные печи и отопительные печи.

Рассмотрим схемы движения теплоносителей в теплообменниках.

При расчете теплового потока через тонкие цилиндрические стенки пользуемся уравнением:

Q = k∙ ( t_Ж1 – t_Ж2 )∙ F_тр = k∙ F_тр∙ Δt_ср

Площадь поверхности трубы считают с той стороны, с которой коэффициент теплоотдачи меньше, если коэффициенты близки друг другу α₁ ≈ α₂, то площадь целесообразно считать по среднему диаметру трубы d = 0.5∙ (d_в + d_н).

Значение Δt_ср - среднего температурного перепада ( дается без вывода ) и определяется по следующей формуле:

Δt_ср = ,

где Δt_max и Δt_min - это перепады температур между теплоносителями на концах теплообменника. Только в прямоточном теплообменнике значение Δt_max всегда равно разности температур на входе, а Δt_min - на выходе. В противоточном теплообменнике теплоносители движутся навстречу друг другу и значение Δt на концах теплоносителя определяется по разности температур на входе греющего и на выходе нагреваемого теплоносителя. На практике чаще используют противоточные схемы движения, поскольку при одинаковых температурах входящих и выходящих теплоносителей Δt при противотоке всегда больше, чем при прямотоке.

Согласно формуле:

Q = k∙ F∙ Δt_ср

это означает, что для передачи одного и того же теплового потока Q при противоточной схеме потребуется теплообменник меньшей площади.

Еще одно преимущество противоточного теплообменника заключается в том, что холодный теплоноситель в нем можно нагреть до температуры более высокой, чем температура греющего теплоносителя на выходе t₂ⁱⁱ > t₁ⁱⁱ. В прямоточном теплообменнике этого сделать невозможно.

Кроме прямоточной и противоточной схем часто встречается перекрестная схема с различными числами ходов.

Средняя разность температур при перекрестной схеме меньше, чем при противотоке, но больше, чем при прямотоке.