Пути интенсификации процесса теплопередачи

При решении практических задач теплопередачи в одних случаях требуется интенсифицировать процесс, в других, наоборот, всячески тормозить. Возможности осуществления этих требований вытекают из закономерностей протекания основных методов передачи теплоты.

Термическое сопротивление стенки можно уменьшить путем уменьшения толщины стенки и увеличения коэффициента теплопроводности материала; теплоотдача соприкосновения может быть интенсифицирована путем перемешивания жидкости и увеличения скорости движения; при тепловом излучении путем повышения степени черноты и температуры излучающей поверхности.

Вопрос о путях интенсификации процесса теплопередачи более сложный. Правильное его решение может быть получено лишь на основе тщательного анализа частных условий теплопередачи.

1 Интенсификация теплопередачи путем повышения коэффициентов теплоотдачи

Рассмотрим уравнение теплопередачи в общем виде:

. (1)

Из этого уравнения вытекает, что при заданной поверхности теплообмена, постоянной разности температур ускорить теплопередачу можно за счет увеличения коэффициента теплопередачи .

Запишем выражение для коэффициента теплопередачи для плоской стенки:

где — частное термическое сопротивление теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя; - частное термическое сопротивление теплопроводности (стенки); - частное термическое сопротивление со стороны холодного теплоносителя [3, стр. 212−214].

При этом возможны три крайних случая: 1); 2); 3). В первом случае процесс теплопередачи определяется условиями теплообмена между средой и внешней поверхностью стенки. Во втором и третьем случае, соответственно термическим сопротивлением стенки и теплоотдачей на внутренней поверхности стенки. Если термическое сопротивление стенки мало,, то выражение для коэффициента теплопередачи упрощается:

. (2)

Из уравнения (2) вытекает, что коэффициент теплопередачи всегда меньше наименьшего коэффициента теплоотдачи. Действительно, если, то приближается к и наоборот. Итак, для увеличения коэффициента теплопередачи необходимо увеличивать меньший коэффициент теплоотдачи. То есть, если, то для повышения коэффициента теплопередачи необходимо увеличивать. Эффективность теплопередачи в случае повышения коэффициента теплоотдачи будет иметь место пока будет выполняться условие. Если коэффициенты теплоотдачи имеют один и тот же порядок величин, то для усиления теплопередачи необходимо увеличивать какой-либо коэффициент теплоотдачи (или) либо оба.

На рисунке 1 показана зависимость согласно формулы (2).

Рисунок 1 График зависимости

2 Методы увеличения коэффициента теплоотдачи

В общем случае коэффициент конвективной теплоотдачи определяется главным образом следующими параметрами:

1. Геометрическими, а именно, геометрической формой и размерами пространства, в котором протекает теплоотдача;

2. Физическими, к которым относятся теплофизические свойства среды, в частности, коэффициенты теплопроводности, температуропровод-ности и кинематической вязкости, теплоемкость, плотность и т. п.;

3. Гидродинамическими, к которым можно отнести скорость, режим движения среды и прочие.

Кроме приведенных параметров, на величину теплоотдачи существенно влияет и температура среды. Особенно это касается капельной жидкости, для которой характерно сильное влияние температуры на ее теплофизические свойства. Зависимость коэффициента теплоотачи от параметров в неявной форме можно представить так:

. (3)

В уравнении (3) параметры представляют геометрические условия, — физические и — гидродинамические.

Для регулирования процесса конвективного переноса тепла следует отметить, что инженер ограничен в выборе геометрических и физических условий. Как правило, конструкция теплообменного аппарата уже известна: стоит задача повышения его тепловой производительности. Существуют определенные ограничения при выборе теплоносителей, которые связаны с технологическими и экономическими требованиями. В теплогенераторных устройствах, системах теплоснабжения и горячего водоснабжения самое большое распространение, как теплоносители, добились вода, воздух, водяной пар и дымовые газы [2, стр. 169−171].