какими способами можно интенсифицировать теплопередачу

Интенсификация теплопередачи

Рассмотрим два способа увеличения коэффициента теплопередачи, а, следовательно, и количества теплоты передаваемого через стенку – конструктивный и режимный.

А. Конструктивный способ интенсификации теплопередачи

Изменение конструкции теплопередающей поверхности с целью увеличения коэффициента теплопередачи можно осуществить за счет уменьшения термического сопротивления теплопроводности стенки и термического сопротивления теплоотдачи со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи.

Для уменьшения термического сопротивления теплопроводности стенки необходимо уменьшить толщину стенки и использовать материалы с высоким коэффициентом теплопроводности .

Термическое сопротивление теплоотдачи можно уменьшить, если со стороны меньшего увеличить поверхность теплообмена за счет ее оребрения. Для доказательства этого утверждения запишем единую формулу теплопередачи при допущении малости термического сопротивления теплопроводности ()

Пусть . Откуда следует, что при равенстве площадей термическое сопротивление теплоотдачи около второй поверхности много больше термического сопротивления теплоотдачи около первой поверхности

или .

Поэтому для уменьшения необходимо увеличить площадь F₂ до выполнения условия

или ,

где – площадь оребренной поверхности.

Профиль ребра может быть прямоугольной, треугольной, трапециевидной и, в общем случае, произвольной формы (см. рис.3.3).

а) плоская стенка (F₁=F₂) б) оребренная стенка (α₂ оребр >F₁)

Рис. 3.3. Конструктивный способ интенсификации теплопередачи

за счет оребрения поверхности

Б. Режимный способ интенсификации теплопередачи

Выясним влияние коэффициентов теплоотдачи и на величину коэффициента теплопередачи k. Для этого запишем формулу коэффициента теплопередачи через плоскую стенку при допущении малости термического сопротивления теплопроводности стенки ()

где – коэффициент теплопередачи, рассчитанный при допущении .

Рассмотрим два крайних случая соотношения коэффициентов теплоотдачи:

а) если , (пусть ), то в этом случае из последней формулы следует, что ;

б) если , (пусть ), то в этом случае .

Таким образом, коэффициент теплопередачи не может быть больше меньшего из коэффициентов теплоотдачи, т.е. .

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что для увеличения коэффициента теплопередачи необходимо увеличивать меньший коэффициент теплоотдачи за счет изменения режима движения теплоносителя.

Источник

Интенсификация теплообмена в аппаратах

Пассивные и активные методы

В настоящий момент существует большое количество методов интенсификации теплообмена, которые различаются степенью интенсификации и увеличением гидравлического сопротивления в аппарате.

Все методы интенсификации теплообмена можно разделить на:

Наиболее широко распространены пассивные методы, которые не требуют подвода дополнительной энергии для их работы в отличие от активных – вибрации, вращения теплообменной поверхности, акустических, электростатических полей и др.

Способы интенсификации в каналах

Говоря об интенсификации в каналах теплообменных аппаратов, имеют ввиду интенсификацию конвективного теплообмена.
Основными способами интенсификации конвективного теплообмена в теплообменных аппаратах являются:

Однако эффективность искусственной турбулизации потока с увеличением значения критерия Рейнольдса снижается, при этом темп роста сопротивления превалирует над темпом роста теплоотдачи.

Примеры интенсификации в ТА

Кожухотрубные аппараты (трубное пространство)

Интенсификация трубного пространства кожухотрубных аппаратов выполняется либо в виде металлических вставок, либо в виде изменения стенки трубы с гладкой на профилированную путем ее деформации.

Такие меры интенсификации приводят к созданию псевдотурболизации потока, изменению его тангенсальной скорости, созданию различных вихрей.

Витая лента

Профилированные трубы

Витые трубы

Кожухотрубные аппараты (межтрубное пространство)

Интенсификация межтрубного пространства осуществляется посредством установки различных перегородок, которые создают перпендикулярное направление при обтекании пучка труб потоком.

Примеры интенсификации в АВО

Интенсификация трубного пространства АВО аналогична КТА (см. выше).
Рассмотрим лишь различные виды оребрения с дополнительной интенсификацией в виде надрезов и перфорации ребер.

Источник

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:

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

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.

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 м 2 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.

Источник

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Для интенсификации или увеличения количества теплоты Q, передаваемой от горячей жидкости к холодной через стенки, необходимо увеличивать коэффициент теплопередачи k, так как поверхность F и разность температур АТ зависят только от конструкции системы и физических условий. Термическое сопротивление теплопроводности стенки R = S/Л стремится к нулю, так как у труб теплообменников толщина S мала, а коэффициент теплопроводности Я материалов (металлов) велик.

Следовательно, коэффициент теплопередачи k будет зависеть в основном от коэффициентов теплоотдачи a1 и a2, а именно:

Аналитическое исследование предельного значения коэффициента теплопередачи показывает следующие закономерности:

• коэффициент теплопередачи k всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи: k

• коэффициент теплопередачи k всегда меньше меньшего коэффициента теплоотдачи;

• быстрый рост коэффициента теплопередачи k наблюдается при увеличении меньшего из коэффициентов теплоотдачи;

• при увеличении большего из коэффициентов теплоотдачи рост коэффициента теплопередачи k вначале замедляется, а затем и вовсе прекращается.

На основании этих выводов формулируются правила интенсификации теплопередачи.

1. Если один коэффициент теплоотдачи намного больше или меньше другого: a1 > a2, то интенсифицировать теплопередачу необходимо путем увеличения меньшего из коэффициентов теплоотдачи.

2. Если коэффициенты теплоотдачи примерно равны: a1 & a2, то интенсифицировать теплопередачу необходимо путем увеличения обоих коэффициентов теплоотдачи.

Так, если коэффициент теплоотдачи жидкости a1 = 1000 Вт/(м2-К), окружающей среды a2 = 10 Вт/(м2-К), то оребрение с коэффициентом ф = 25 со стороны меньшего a2 увеличивает к примерно в 20 раз.

5. Увеличение коэффициентов теплоотдачи однофазных жидкостей (масло, вода) может осуществляться также за счет снижения толщины пограничного ламинарного слоя и перехода движения жидкости к турбулентному режиму, что может достигаться путем увеличения скорости движения жидкости или принятия конструктивных решений (например, применить волнистые поверхности, шипы). Однако это приводит к дополнительным гидравлическим сопротивлениям.

Для снижения коэффициента теплопередачи через конструкции необходимо увеличить термическое сопротивление системы, что достигается путем нанесения на стенку слоя тепловой изоляции.

Источник

Основное уравнение теплопередачи. Пути интенсификации теплообмена.

Основные понятия и определения. Способы переноса теплоты.

Тепловые процессы описываются теорией теплообмена.

Теплообмен – процесс переноса теплоты между телами имеющими различную температуру.

Движущей силой тепловых процессов является разность температур.

Тела, которые участвуют в процессе теплообмена, называют теплоносителями. Тело с более высокой температурой называют горячим теплоносителем, а с меньшей холодным теплоносителем.

В природе существует три способа переноса теплоты:

Теплопроводностью называют процесс переноса теплоты за счет теплового беспорядочного движения микрочастиц, этот перенос происходит внутри твердых тел.

Конвекция – процесс переноса теплоты за счет движения и перемешивания достаточно крупных объемов газа или жидкости. Выделяют свободную и вынужденную конвекцию.

Движущей силой свободной конвекции является разность плотностей, которая вызвана, разностью температур.

Тепловое излучение – процесс переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую, которая проходит через пространство, и затем сново превращается в тепловую при поглащении ее другим телом.

Согласно закона Стефана-Больцмана:

(1)

Т.е. количество теплоты излучаемое в единицу времени телом , Вт., пропорционально поверхности излучающего тела ,м. и абсолютной температуре этого тела в четвертой степени. В формуле С-коэффициент пропорциональности (лучеиспускания)

(2)

где Вт/м 2 К 4 – коэффициент лучеспускания абсолютно черного тела, — степень черноты тела (табличное значение).

По закону Кирхгофа поглащающая способность и степень черноты равны между собой.

Тогда количество тепла, отданого телом с абсолютной температурой Т₁ окружающим его более холодным телам с температурой Т₂, находится как

(3)

— приведеная степень черноты системы

Перечисленные виды передачи теплоты редко встречаются в чистом виде. В промышленности, как правило, теплота переносится комбинированным путем.

В промышленной практики основными являются следующие способы передачи теплоты:

Теплоотдача – процесс переноса теплоты от жидкости к стенке и наоборот.

Теплопередача – процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку.

Тепловой баланс.

В пищевой промышленности применяют два типа теплообменников:

—поверхностные (теплота от холодного теплообменника к горячему передается через разделяющую их стенку): кожухотрубные, пластинчатые, змеевиковые, спиралные и др. теплоообменники.

—смешения (горячий и холодный теплоносители перемешиваются друг сдругом)

Рассмотрим тепловой баланс теплообменника типа труба в трубе:

Примем допущение, что 1-это горячий теплоноситель, тогда поток теплоты передается от 1 теплоносителя к 2.

Поток переданной теплоты будет равен

, Вт (1)

(2)

где — энтальпия теплоносителей Дж/кг

Энтальпия зависит от температуры и давления теплоносителя, и является табличной величиной также ее можно рассчитать, как произведение удельной теплоемкости жидкости с, Дж/кг град. на температуру в о С.

(3)

Таким образом зная колличество жидкости (массовый расход кг/с), которое необходимо нагреть, можно найти расход горячего теплоносителя.

(4)

Как правило, в пищевой промышленности горячим теплоносителем является пар, т.к. он обладает очень большой теплоемкостью и при его конденсации выделяется огромное кол-во энергии. И ищут расход именно пара.

Различают влажный, насыщенный и перегретый пар

При пар называют влажным

пар насыщенный(см. рисунок)

Если пар на линии насыщения еще больше нагрет, он будет называться перегретым.

В таблицах даны значения энтальпии воды и пара на линии насыщения при различных температуре и давлении. Для расчета энтальпии влажного пара применяют зависимость:

(6)

Весьма удобно пользоваться диаграммами влажного пара.

Максимальное количество энергии насыщенный пар отдает при своей полной конденсации, в таком случае уравнение теплового баланса принимает вид

(7)

где — расход пара, кг/с

— удельная теплота паробразования

— энтальпия насыщенного пара и воды на линии насыщения, Дж/кг

Основное уравнение теплопередачи. Пути интенсификации теплообмена.

t_Ж2

t_Ж1

,Вт (1) – основное уравнение теплопередачи

— коэф. теплопередачи, Вт/м 2 К

— площадь поверхности теплопередачи, м 2

— средний температурный напор, К.

Коэффициент теплопередачи показывает, какое кол-во теплоты передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 секунду через 1м 2 поверхности стенки при среднем температурном напоре в 1 о К.

Для плоской стенки коэф. теплопередачи равен:

(2)