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 < 0,2 Вт/(м·К) ]. Такие материалы называются теплоизоляторами.

Большинство теплоизоляторов состоит из волокнистой, порошковой или пористой основы, заполненной воздухом. Термическое сопротивление теплоизолятора создает воздух, 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 увеличение плотности набивки минеральной ваты, асбеста или другого теплоизолятора их теплопроводность возрастает. С увеличением температуры коэффициент теплопроводности теплоизолятора также растет из-за увеличения теплопроводности воздуха и усиления теплопереноса излучением.

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 м² 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.