Интенсификация процессов теплообмена

Оребрение поверхности нагрева применяется не только для выравнивания термических сопротивлений, но и для интенсификации процессов теплообмена. При этом в зависимости от условий эксплуатации и технологической необходимости могут быть поставлены различные требования: в одних случаях требуется максимальная теплопередача, в других — минимальная масса либо минимальные габаритные характеристики теплообменника.

Правильное решение вопроса об интенсификации процесса теплопередачи может быть получено на основе тщательного анализа частных условий теплопередачи.

В качестве примера рассмотрим числовой расчет коэффициента теплопередачи для плоской стенки. Предположим, с одной стороны стенки греющая среда — вода aг = 5000 Вт/(м²·К), с другой стороны воспринимающая среда — воздух aх = 5 Вт/(м²·К), теплопроводность стенки l = 50 Вт/(м²·К), толщина стенки d = 5 мм. Тогда коэффициент теплопередачи

Вт/(м²·К).

Коэффициент теплопередачи, как видно из примера, определяется величиной самого большого термического сопротивления и будет меньше самого маленького из коэффициентов теплоотдачи. Термическим сопротивлением теплопроводности стенки в расчете можно пренебречь.

Если мы увеличим теплоотдачу со стороны греющей воды в 2 раза то на значении K это практически не отразится; при aг = 40000 Вт/(м²·К), K = 4,9925 Вт/(м²·К). Интенсифицировать процесс теплообмена при этом можно либо развивая поверхность со стороны воздуха рёбрами, либо организовать принудительное движение воздуха, либо применяя совместно оба эти метода. И тогда, при принудительном движении воздуха (предположим, aх = 50 Вт/(м²·К) и увеличив ребрами поверхность теплообмена со стороны воздуха (предположим, в 10 раз) мы получим значение

Вт/(м²·К).

Оптимальное значение коэффициента теплопередачи возникает при равенстве коэффициентов теплоотдачи aг = aх. Дальнейшая интенсификация теплообмена возможна при совместном увеличении коэффициентов теплоотдачи с обеих сторон, либо при равном увеличении площадей поверхностей с двух сторон.

В процессе эксплуатации на теплообменных поверхностях осаждаются отложения, являющиеся значительными термическими сопротивлениями. Например, слой накипи толщиной в 1 мм по термическому сопротивлению эквивалентен слою 40 мм стальной стенки, а слой сажи в 1 мм — 400 мм. Помимо вреда от снижения теплопередачи, отложение накипи на стенке вызывает повышение её температуры, что может оказаться причиной пережога теплообменной поверхности. Поэтому в процессе эксплуатации котельных установок и других теплообменных аппаратов необходимо следить за чистотой их теплообменных поверхностей.

Контрольные вопросы

1. Что такое термическое сопротивление теплопередачи? Из каких локальных термических сопротивлений оно состоит?

2. Запишите расчётную зависимость коэффициента теплопередачи однослойной плоской стенки.

3. Как можно интенсифицировать процесс теплопередачи? При каких условиях коэффициент теплопередачи принимает оптимальное значение?

4. Как влияют отложения накипи и сажи на поверхностях теплообмена на процесс теплопередачи?

5. Запишите выражение коэффициента теплопередачи оребренной поверхности.