Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества

Теплообмен при кипении жидкости.

Кипением называется парообразование, характеризующееся воз­никновением новых свободных поверхностей раздела жидкой и паро­вой фаз внутри жидкости, нагретой выше температуры насыщения.

Характерной особенностью процесса кипения является образова­ние пузырьков пара. Различают кипение жидкости поверх­ностное и объемное.

Поверхностное кипение возникает тогда, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении, а температура поверхности теплообмена выше темпе­ратуры кипящей жидкости. Образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Объемное кипение может происходить при значительном перегреве жидкости от­носительно температуры насыщения при данном давлении. Пузыри пара возникают во всем объеме.

Наиболее распространено поверхностное кипение.

Как показывают наблюдения, пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности в перегретом пограничном слое жидко­сти и только в отдельных точках этой поверхности, называемых цент­рами парообразования, которымияв­ляются неровности самой стенки, частицы накипи и выделяющиеся из жидкости пузырьки газа. Количество образующихся пузырьков пара будет тем больше, чем больше центров парообразования, чем больше перегрет пограничный слой, чем больше температурный напор или чем больше тепловая нагрузка поверхности нагрева.

При достижении определенных размеров пузырьки пара отрыва­ются от поверхности и всплывают вверх, а на их месте возникают новые пузырьки. Величина пузырьков пара в значительной степени зависит от смачивающей способности жидкости. Если жид­кость хорошо смачивает поверхность теплообмена, то пузырек пара легко отрывается. Если кипящая жидкость не смачивает поверхность, то пузырек пара имеет толстую ножку, и отрывается только часть пузырька, а ножка остается на по­верхности.

Рост пузырьков до от­рыва от обогреваемой поверхности и движение ихпосле отрыва вызывают ин­тенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в пограничном слое, вследствие чего резко возрастает интенсивность теплоотдачи от поверхности к жидкости. Такой режим называется пу­зырьковым кипением.

С возрастанием температурного напора или с увеличением плотно­сти теплового потока число центров парообразования непрерывно уве­личивается и, наконец, их становится так много, что отдельные пузырь­ки пара сливаются в сплошной паровой слой, который периодически в некоторых местах разрывается, и образовавшийся пар прорывается в объем кипящей жидкости. Такой режим кипения называется пле­ночным. Сплошной паровой слой ввиду малой теплопроводности пара пред­ставляет большое термическое сопротивление. Теп­лоотдача от стенки к жидкости резко падает, а температурный напор значительно возрастает. Коэффициент теплоотдачи при этом сни­жается и если количество передаваемой теплоты q остается неизмен­ным, то, как следует из уравнения q =a(t_с – t_ж),при постоянной температуре жидкости должно произойти значительное увеличение температуры стенки t_c. Увеличение температуры поверхности может привести к пережогу стенки и к аварии аппарата.

Как показывают исследования, при кипении жидкости в большом объеме в условиях свободного движения коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств жидкости, температурного напора и давления. На рисунке показан график изменения коэффициента теплоотдачи воды при кипении и зависимость плотности теплового потока от Dt. При малых температурных напорах значение коэф­фициента теплоотдачи определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости (участок АВ). При увеличении Dt коэффициент теп­лоотдачи быстро возрастает и проис­ходит интенсивное пузырьковое ки­пение. В точке К наступает изменение режима кипения. Пузырьковое кипе­ние переходит в пленочное и при дальнейшем повышении Dt коэффи­циент теплоотдачи резко падает. Этот переход сопровождается таким интенсивным образованием пузырьков, что они не успевают отрываться и обра­зуют сплошную паровую пленку, ко­торая изолирует жидкость от стенки, а кипение переходит в пленочное. Величины Dt,aи q,соответствующие моменту перехода пузырько­вого режима кипения в пленочный, называются критическими.

Для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении воды (при давлении р = 0,02-8 МПа) рекомендуются простые расчетные формулы:

a = 3,15р^0,15q ^0,7; a = 46Dt ^2,33р^0,5,

где Dt = t_с – t_ж – температурный напор; р –давление пара, бар; q – плотность теплового потока, Вт/м².

Теплообмен при конденсации пара.

Процесс конденсации заключается в том, что пар при определенных условиях может переходить как в жидкое, так и твердое состояние. Процесс конденсации часто встречается на практике – в кон­денсаторах паровых турбин, в опреснителях при получении питьевой воды, в теплообменниках холодильных установок и др.

Конденсация пара всегда связана с отводом теплоты через поверх­ности конденсации и с одновременным отводом образующегося веще­ства – конденсата. Конденсация происходит только при температурах и давлении пара ниже температуры и давления критической точки. Она протекает как в объеме пара, так и на твердых охлаждаемых поверхностях. Конденсация на твердых поверхностях применяется в технике наиболее часто.

Если насыщенный или перегретый пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения при данном дав­лении, то вследствие теплообмена пар охлаждается и конденсируется. Конденсат в виде пленки или капель оседает на поверхности и стекает вниз.

Различают два вида кон­денсации: капельную и пленочную. Если поверхность конденсата не смачивается жидкостью и конденсат осаждается в виде отдельных капель, то происходит капельная конденсация. На смачиваемой поверхности конденсирующийся насыщенный пар об­разует сплошную пленку; такая конденсация называется пленочной.

Для водяного пара капельная конденсация явление случайное, неустойчивое и кратковременное. Она отличается интенсивным тепло­обменом, и коэффициент теплоотдачи в 15 – 20 раз выше пленочной. Объясняется это явление тем, что конденсирующийся пар находится в непосредственном соприкосновении с охлаждаемой поверхностью. При пленочной конденсации теплота передается поверхности пленки конденсата, а пленка передает теплоту стенке. Пленка кон­денсата представляет собой значительное термическое сопротивление, и чем она толще, тем меньше теплоотдача.

Рассмотрим теплоотдачу при пленочной конденсации в случае ла­минарного движения пленки конденсата.

В данном процессе перенос теплоты через пленку осуществляется только теплопроводностью.Тогда при коэффициенте теплопроводности конденсата lи толщине пленки d плотность теплового потока равна , где t_н –температура насыщения; t_с –температура поверхности.

Согласно закону Ньютона-Рихмана при коэф­фициенте теплоотдачи aплотность теплового потока равна q = a(t_н – t_с), откуда a = l/d. Следовательно, коэффициент теплоотдачи зависит от толщины слоя конденсата, стекающего по стенке вниз, и коэффициента теплопроводности конденсата.

При практических расчетах, рекомендуются следующие формулы для определения среднего значения коэффициента теплоотдачи:

для вертикальной стенки ;

для горизонтальной трубы ,

где g – ускорение силы тяжести; l_ж – коэффициент теплопроводности жидкости; r – теплота парообразования; r_ж ­– плотность жидкости; v_ж – кинематический коэффициент вязкости жидкости; Н – высота вертикальной стенки; d – наружный диаметр трубы.

Физические параметры конденсата берутся при средней температуре пленки конденсата, равной t_cр =0,5(t_н + t_с). Теплота парообразования берется при температуре насыщения t_н.

Так как высота трубы всегда больше диаметра, то коэффициент теплоотдачи при горизонтальном расположении трубы выше, чем при вертикальном.

Приведенные формулы относятся к неподвижному или медленно движущемуся пару (w < 10 м/с). Если движение пара совпадает по направлению с движением пленки конденсата, то d уменьшается, а a увеличивается. При встреч­ном движении пара и пленки конденсата толщина последней увели­чивается, а a уменьшается. При большой скорости пара происходит срыв конденсатной плен­ки, что приводит к росту коэффициента теплоотдачи.

При конденсации перегретого пара температура его у стенки по­степенно снижается и фактически конденсируется насыщенный пар.

Состояние поверхности конденсации оказывает влияние на величину a. На трубах, с большой шероховатостью тол­щина пленки конденсата увеличивается, что вызывает уменьшение коэффициента теплоотдачи.

Примеси различных газов в паре заметно уменьшают теплоотдачу при конденсации. Снижение теплоотдачи происходит потому, что пар конденсируется, а газ или воздух, остается вблизи поверхности в виде слоя, через который молекулы пара проникают из ядра потока лишь путем диффузии, тем самым увеличивая термическое сопротивление пленки.

Теплообмен излучением

Основные понятия. Энергия излучения переносится электромагнитными колебаниями и фотонами. Генерация лучистой энергии происходит в результате сложных внутриатомных и молекулярных процессов. Всякое тело, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля, способно излучать лучистую энергию. Наряду с потоком лучистой энер­гии от более нагретых тел к менее нагретым всегда имеется и обрат­ный поток энергии от менее нагретых тел к более нагретым. Конеч­ный результат такого обмена и представляет собой количество переданной излучением теплоты. Лучистый теплообмен связан с двойным превращением энергии: на поверхности тела-излучателя теплота трансформируется в энергию электромагнитных колебаний, которая распространяется в лучепрозрачной среде (или в вакууме) и при поглощении ее каким-либо другим телом вновь превращается в теплоту.

Существуют различные виды электромагнитного излучения: g-излучение, рентгеновское излучение, радиоволны и др. Однако спо­собностью трансформироваться в теплоту обладает излучение све­тового диапазона (длина волн l = 0,4-0,8 мкм) и в наибольшей мере инфракрасного диапазона (l = 0,8-400).

Излучение всех тел зависит от температуры. С увеличением тем­пературы излучение увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела. Зависимость интенсивности передачи теплоты от температуры при излучении значительно большая, чем при теплопро­водности и конвекции. Поэтому при низких температурах главную роль играет конвективный теплообмен, а при высоких – теплооб­мен излучением.

Отношение количества энергии, излучаемой поверхностью тела во всем интервале длин волн спектра ко времени, называют пол­ным (интегральным) лучистым потоком Q (Вт).

Излучение, соответствующее какой-либо определенной длине волны (точнее, узкому интервалу длин волн), называется монохрома­тическим.

Величина, численно равная количеству энергии, излучаемой единичной поверхностью тела в единицу времени, назы­вается излучательной способностью тела Е (Вт/м²), или плотностью интегрального излучения.

Распределение энергии излучения по длинам волн характеризуется интенсив­ностью излучения E_l, котораяпредставляет собой излучательную способность тела в интервале длин волн от l до l + dl,отнесенную к рассматриваемому интервалу длин волн dl

Е_l = dE/dl(Вт/м³).

Пусть Q количество лучистой энергии, падающей на тело. В общем случае часть энергии Q_A, поглотится телом, часть Q_R, отразится, а часть, Q_D, пройдет сквозь тело. Уравнение баланса энергии имеет вид

Q = Q_A + Q_R + Q_D.

Разделив обе части равенства на Q и обозначив А = Q_A/Q, R = Q_R/Q, D = Q_D/Q, получим

A + R + D = 1.

Здесь А – поглощательная способность тела; R – отражательная способность тела; D – пропускательная способность тела.

В предельных случаях A = 1 (R = D = 0) – абсолютно черное тело; R = 1 (A = D = 0) – абсолютно белое тело; D = 1 (A = R = 0) – абсолютно прозрачное тело.

В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует, тем не менее, понятие о них является важным для сравнения излучательной способности реальных тел.

Оконное стекло прозрачно для световых лучей, а для ультрафиолетовых и тепловых почти непрозрачно. Белая поверхность (ткань, краска) хорошо отражает лишь видимые лучи, а тепловые лучи поглощает также хорошо, как и темная. Свойство тел поглощать или отражать тепловые лучи зависит в основном от состояния поверхности, а не от ее цвета.

Основные законы теплового излучения.

Закон Планка. Устанавливает зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела от температуры Т и длины волны l:

где C₁ = 3,74×10^-16 Вт/м²; C₂ = 1,44×10^-2 м×К.

Графическое представление закона Планка показано на рисунке. Из приведенных на графике изотерм видно, что интенсивность излучения вначале, в области коротких волн, быстро возрастает до максимума, а затем медленно убывает, не достигая нулевого значения даже при наи­больших длинах волн, еще соответствующих тепловому излучению. На графике заштрихованная площадь, ограниченная изотермой, со­ответствующей длинам волн l и l + dl, определяет количество энер­гии, излучаемой с единицы поверхности тела в единицу времени при температуре Т в интервале длин волн dl. Иначе говоря, ма­тематическое выражение для заштрихованного элемента пло­щади Е_l0dl = dE₀. Полное количество энергии, которую излучает абсолютно черное тело во всем спектре длин волн, будет равно и может быть графически изображено в виде площади под соответствующей изотермой.

Реальные тела не поглощают всей падающей на нихлучистой энергии, имеют А < 1 и являются нечерными. В свою очередь все нечерные тела могут быть разделены по характеру спект­ра поглощения (излучения) на серые тела и тела с селективным излучением.

Серым называется тело, имеющее сплошной спектр излучения, подобный спектру излучения черного тела,но при меньших значениях интенсивности излучения.

Отношение энергии Е, излучаемой серым телом, имеющим тем­пературу Т,к энергии излучения абсолютно черного тела Е₀при той же температуре называется степенью черноты e:

e = Е/Е₀.

Ксерым телам может быть отнесено большинство твердых тел и капельных жидкостей.

Тела с селективным излучением могут излу­чать и поглощать энергию лишь в определенных, характерных для каждого тела, областях спектра, имеют полосовой спектр излуче­ния. Селективными свойствами обладают многие газы и пары.

Закон Вина. Длину волны, которой соответствует максимум теп­лового излучения, можно определить из условия Е_l0 /dl = 0. При этом получается:

l_maxТ = 2,9×10^-3 м×К.

Это уравнение выражает закон смещения Вина, формули­руемый следующим образом: с повышением температуры мак­симум излучения смещается в сторону более коротких волн. Приближенно закон Вина используют и применительно к серым телам.

Закон Стефана-Больцмана. Он определя­ет зависимость излучательной способности абсолютно черного тела от температуры. Согласно закону Стефана-Больцмана величина Е₀прямо пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени:

Е₀ = s₀Т⁴,

где s₀ – константа излучения абсолютно черного тела, численно равная 5,67×10^-8 Вт/(м²×К⁴).

Для практических расчетов это уравнение используют в другой, более удобной форме, имеющей вид

Е₀ = С₀ (Т/100)⁴,

где С₀ = 5,67 Вт/(м²×К⁴) коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для серых тел также можно пользоваться приведенной формулой, но с другим (меньшим) коэффициентом излу­чения С, т. е.

Е = С (Т/100)⁴ = e×С₀(Т/100)⁴,

где e – степень черноты.

Степень черноты показывает, насколько данное тело приближа­ется по своим излучательным свойствам к абсолютно черному; она зависит от состояния поверхности тела (прежде всего шероховатос­ти) и ее температуры. Значения e для различных тел приводятся в справочной литературе.

Закон Ламберта. С помощью закона Стефана-Больцмана можно определить общее количество энергии, излучаемой телом по всем направлениям. Однако распределение этой энергии по различным направлениям оказывается неодинаковым. Согласно закону Лам­берта количество энергии Е_jизлучаемой телом в направлении, сос­тавляющем с нормалью к поверхности угол j, определяется по урав­нению

Е_j = Е_пcos(j),

где Е_п – количество энергии, излучаемой в направлении нормали к поверхности тела (j = 0).

Интегрирование этого уравнения дает соотношение Е = p×Е_п, т. е. полная лучеиспускательная способность тела в p раз больше лучеиспускательной спо­собности тела в направлении нормали. Опыт показывает, что закон Ламберта строго справед­лив только для абсолютно черного тела. У серых тел этот закон подтверж­дается лишь в пределах j = 0-60°.

Закон Кирхгофа. Закон устанавливает связь между излучательной и поглощательной способностью тела. Закон может быть сформулирован так: отношение лучеиспускательной способности к поглощательной для всех тел одинаково и равно лучеиспускательной способности абсо­лютно черного тела при той же температуре.

Математическое выраже­ние закона Кирхгофа:

Е₁/А₁ = Е₂/А₂ =…= Е₀/А₀ = Е₀.

Из закона следует, что Е/Е₀ = А, а так как e = Е/Е₀,можно сформулировать закон Кирхгофа иначе: поглощательная способность и степень черноты тела численно равны между собой. Из закона Кирхгофа следует, что лучеиспускательная способность тел тем больше, чем больше их поглощательная способность. Тела, которые хорошо отражают лучистую энергию, сами излучают очень мало. Поэтому в тех случаях, когда хотят уменьшить потери теплоты каким либо аппаратом, его поверхность обрабатывают так, чтобы она имела наименьшее значение e.

Законы лучеиспускания газов. Эти законы значительно отлича­ются от законов лучеиспускания твердых тел. Одно- и двухатомные газы практически являются прозрачными телами; их излучательная и поглощательная способность ничтожна. Спектр излучения и пог­лощения многоатомных газов (NH₃, СО₂, Н₂О и др.) имеет селективный характер; эти газы излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн. В отличие от твердых тел из­лучение и поглощение энергии газами происходит не в поверхностном слое, а во всем объеме. При этом по мере прохождения тепловых лучей через многоатомные газы их энергия уменьшается. Это ослабление зависит от рода газов, температуры и числа находящихся на пути луча молекул. Число молекул пропорционально толщине слоя газа l и плотности газа (т. е. парциальному давлению р_i). Излучение газов не подчиняется закону Стефана-Больцмана. Однако для технических расчетов условно принимают, что интегральное излучение газов, как и излучение твердых тел, пропорционально четвертой степени их абсолютной температуры:

Е_г = e_г×С₀(Т/100)⁴,

где e_г – степень черноты газов, e_г = f(p_i, l, T).

Теплообмен излучением между телами.

Теплообмен излучением между плоскопараллельными поверхностями.

Рассмотрим две бесконечно большие плоскопараллельные поверхности из разнородных материалов разделенные прозрачной средой. Для одной поверхности степень черноты e₁ и температура Т­₁, а для другой e₂ и Т₂. Пусть Т₁ > Т₂.

Тогда собственное излучение:

для первой пластины ; для второй пластины .

Результирующая излучательная способность первой пластины на вторую

,

где e_п – приведенная степень черноты .

Теплообмен излучением между телом и оболочкой.

Рассмотрим случай, когда теплообмен происходит между телом произвольной формы (не вогнутым) и поверхностью другого, большего тела. При этом поверхность большего тела полностью охватывает меньшее. Для первого тела степень черноты e₁, температура Т­₁ и площадь поверхности F₁, а для второго e₂, F₂ и Т₂. Пусть Т₁ > Т₂.

В этом случае результирующая излучательная способность первого тела на второе

,

где .

Если F₂ >> F₁, то e_п » e₁. Следовательно, если необходимо рассчитать потери теплоты телом в окружающую среду, то можно принять F₂ = ¥, а e_п = e₁, тогда расчетное выражение примет вид .

Теплообмен излучением между произвольно расположенными телами.

Рассмотрим случай, когда теплообмен происходит между телами произвольной формы расположенными в пространстве произвольно. Для первого тела степень черноты e₁, температура Т­₁ и площадь поверхности F₁, а для второго e₂, F₂ и Т₂. Пусть Т₁ > Т₂.

В этом случае только часть энергии излучения будет попадать с одного тела на другое.

Результирующий тепловой поток первого тела на второе можно рассчитать по формуле:

,

где ;

j₁₂, j₂₁ – соответственно угловой коэффициент первого тела относительно второго и второго тела относительно первого.

Угловой коэффициент характеризует долю энергии, которая попадает с тела, площадью F₁, на тело с площадью F₂ по отношению к полному потоку собственного излучения первого тела. При этом j₁₂×F₁ = j₂₁×F₂.

Для большинства случаев, имеющих место в технике, значения угловых коэффициентов или формулы для их расчета приводятся в справочниках.

Теплообмен излучением между поверхностями, разделенными экраном.

Рассмотрим две поверхности разделенные экраном. Пусть Т₁ > Т₂, а степень черноты поверхностей и экрана одинакова e₁ = e₂ = e_э.

Тепловой поток, передаваемый без экрана .

Тепловой поток, от первой поверхности к экрану .

Тепловой поток, от экрана ко второй поверхности .

При установившемся тепловом режиме Е_1э = Е_э2, тогда

откуда .

С учетом последнего выражения .

Следовательно, при данных условиях, установка одного экрана уменьшает тепловой поток в два раза. Установка п экранов уменьшает тепловой поток в п – 1 раз.

В случае если e₁ ¹ e₂ ¹ e_э приведенная степень черноты определяется по формуле

.

Теплопередача

Теплопередача, перенос теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку.

Теплопередача через однослойную и многослойную плоскую стенку.

Рассмотрим теплообмен между горячей жидкостью и холодной через разделяющую их плоскую однослойную стенку толщиной d с коэффициентом теплопроводности l (см. рисунок). Теплота передается от горячей жидкости к стенке конвекцией с коэффициентом теплоотдачи a₁, а от стенки к холодной жидкости – a₂.

При стационарном режиме плотность теплового потока отданного конвекцией от горячей жидкости к стенке, прошедшая через стенку за счет теплопроводности и отданная от стенки к холодной жидкости будет одинакова. Тогда процесс теплопередачи можно описать системой уравнений:

, , .

Решая эти уравнения относительно разности температур, получим:

,

или после суммирования .

Введя обозначение , окончательно можно записать ,

где k – коэффициент теплопередачи, он численно равен плотности теплового потока переданного от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку при температурном напоре равном единице и характеризует интенсивность теплообмена, Вт/(м²×К).

Если стенка, разделяющая жидкости является многослойной, коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

,

где п – количество слоев.

Теплопередача через однослойную и многослойную цилиндрическую стенку.

Рассмотрим теплопередачу через однослойную цилиндрическую стенку, внутренний и наружный диаметр которой соответственно d₁ = 2r₁ и d₂ = 2r₂. a₁, a₂ ­– коэффициенты теплоотдачи от горячей жидкости к стенке и от стенки к холодной жидкости. Коэффициент теплопроводности материала стенки – l.

При стационарном режиме линейная плотность теплового потока отданного конвекцией от горячей жидкости к стенке, прошедшая через стенку за счет теплопроводности и отданная от стенки к холодной жидкости будет одинакова. Тогда процесс теплопередачи можно описать системой уравнений:

, , .

Решая эти уравнения относительно разности температур, получим:

,

или после суммирования .

Введя обозначение , окончательно можно записать

,

где k_l – линейный коэффициент теплопередачи, он численно равен линейной плотности теплового потока переданного от горячей жидкости к холодной через разделяющую стенку при температурном напоре равном единице, Вт/(м×К).

Если стенка, разделяющая жидкости является многослойной, коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

,

где п – количество слоев.

Критический диаметр тепловой изоляции. Тепловая изоляция применяется для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду с поверхности теплотехнических устройств и оборудования. Для тепловой изоляции используют материалы с низким коэффициентом теплопроводности ­– асбест, шлаковая или стеклянная вата, пробка и др.

Наиболее распространен случай теплоизоляции цилиндрических поверхностей.

Рассмотрим цилиндрическую трубу (диаметры d₁, d₂), коэффициент теплопроводности l, покрытую слоем тепловой изоляции с коэффициентом теплопроводности l_из. В этом случае можно воспользоваться формулами, полученными для теплопередачи через многослойную цилиндрическую стенку записав их для двухслойной стенки. Тогда выражение для линейного термического сопротивления имеет вид

.

Анализ выражения показывает, что при увеличении диаметра тепловой изоляции d_из термическое сопротивление теплопроводности увеличивается, а термическое сопротивление теплоотдачи уменьшается, а функция R_l = f(d_из) имеет вид представленный на рисунке. Поскольку связь между линейной плотностью теплового потока q_l и R_l обратно пропорциональная (q_l ~ R_l^-1), то q_l вначале растет, а затем уменьшается. Это приводит к тому, что при определенном значении диаметра изоляции тепловые потери изолированного трубопровода будут больше, чем неизолированного.

Диаметр изоляции, при котором теплопотери максимальны, называется критическим. Величина критического диаметра определяется из условия минимума функции R_l = f(d_из), т.е. . В результате получается выражение , где a₂ – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду.

Для эффективной работы изоляции необходимо, чтобы критический диаметр был меньше наружного диаметра неизолированного трубопровода. При выборе изоляции можно воспользоваться условием .

Интенсификация теплопередачи. Рассмотрим теплопередачу через плоскую однослойную стенку. Плотность теплового потока, в этом случае, равна , где R_k ­– термическое сопротивление теплопередачи .

Согласно приведенным формулам, для интенсификации теплопередачи нужно либо увеличивать температурный напор, либо уменьшить термическое сопротивле­ние теплопередачи R_k. Температуры теплоносителей обусловлены требо­ваниями технологического процесса, поэтому изменить их обычно не уда­ется.

Величину термического сопротив­ления R_k можно уменьшить различ­ными способами, воздействуя на лю­бую из составляющих R_a1, R_a2, R_l. Интенсифи­цировать конвективный теплообмен и уменьшить R_aможно путем увели­чения скорости движения теплоноси­теля, турбулизации пограничного слоя и т. д. Величина термического сопротивления теплопроводности R_lзависит от материала и толщины стенки. Однако прежде чем выбирать методы воздействия на процесс теп­лопередачи, необходимо установить вклад отдельных составляющих в суммарную величину R_k. Существенное влия­ние на величину R_k будет оказывать уменьшение наибольшего из слагае­мых.

В широко используемом в тех­нике процессе передачи теплоты от капельных жидкостей к газам через металлическую стенку наибольшее термическое сопротивление имеет место в процессе теплоотдачи от га­за к стенке, а остальные сопротивления пренебрежимо малы по сравнению с ним.

В таких случаях для интенсифи­кации теплопередачи очень часто применяют оребрение той поверхности стенки, теплоотдача от которой менее интенсивна. За счет увеличе­ния площади оребренной поверхности стенки термическое сопротив­ление теплоотдачи с этой стороны стенки уменьшается, и соответственно уменьшается значе­ние R_k. Аналогичного результата можно было бы достигнуть, увели­чив коэффициент теплоотдачи, но для этого требу­ются дополнительные затраты мощ­ности на увеличение скорости тече­ния теплоносителя.

Основы расчета теплообменных аппаратов (ТА)

Классификация ТА. Теплообменным аппаратом называют устройство, в котором одна жидкость – горячая среда, передает теплоту другой жидкости – холодной среде. В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используются разнообразные капельные и упругие жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур.

По принципу работы аппараты делят на регенеративные, смесительные и рекуперативные.
В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдает теплоту холодному теплоносителю, т. е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью.
В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей жидкости к холодной происходит при их непосредственном смешении.

Особенно широкое распространение во всех областях техники получили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей к холодной жидкости передается через разделительную стенку.

ТА могут иметь различное назначение: паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, приборы центрального отопления и т. д.

ТА в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по конструкции и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам. Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.
Движение теплоносителей в ТА осуществляется по трем основным схемам (см. рисунок).
Если направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают, то такое движение называется прямотоком (рис.а).

Если направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется противотоком (рис.б). Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется перекрестным током (рис.в). Кроме этих основных схем движения жидкостей, в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающие все три основные схемы.

Тепловой расчет теплообменных аппаратов. Тепловые расчеты ТА могут быть проектными и поверочными.

Проектные (конструктивные) тепловые расчеты выполняются при проектировании новых аппаратов, целью расчета является определение поверхности теплообмена.

Поверочные тепловые расчеты выполняются в случае, если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданной теплоты и конечные температуры ра­бочих жидкостей.

Тепловой расчет ТА сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Эти два уравнения лежат в основе любого теплового расчета.

Уравнение теплового баланса устанавливает связь между количеством теплоты отданной горячим теплоносителем и теплотой воспринятой холодным теплоносителем. Без учета потерь теплоты это уравнение имеет вид:

,

где М₁, М₂ – массовый расход горячего и холодного теплоносителя;

С_р1, С_р2 – изобарная массовая теплоемкость горячего и холодного теплоносителя;

– температура горячего теплоносителя на входе и выходе из теплообменника;