Методи інтенсифікації процесів теплопередачі

Широке застосування теплообмінних апаратів у різних галузях промисловості та в сільському господарстві вимагає безперервного удосконалювання їхньої конструкції. Один з основних способів, за допомогою якого можна знизити матеріалоємність, - інтенсифікація теплопередачі, що можлива або за рахунок збільшення різниці температур теплоносіїв, або за рахунок підвищення коефіцієнта теплопередачі. Перший метод часто виявляється неприйнятним з технологічних міркувань, а тому другий метод є основним.

Ефективні методи інтенсифікації теплообміну:

‒ штучна турбулізація потоку в пристінній зоні (наприклад, за рахунок накатки канавок на трубах, періодичного розсічення і відносного зсуву ребер теплообмінника, штампування на ребрах поперечних виступів і канавок);

‒ закручення потоку усередині кручених овальних труб і поперечне обтікання пучків кручених труб і стрижнів;

‒ керований відрив пограничного шару при поперечному обтіканні пучків труб за рахунок створення на них спеціальних турбулізаторів.

Теплові труби. Теплова труба - це пристрій для перенесення теплової енергії з нагрітої області ("джерела") в холодну область ("стік") з ККД, набагато більшим, ніж при використанні будь-яких високотеплопровідних металів. Якщо підводити тепло до однієї секції такої герметичної труби, що містить рідину, то частина рідини випаровуватиметься, поглинаючи великі кількості тепла. Пари, переходячи в іншу секцію, конденсуватимуться і віддаватимуть тепло. Повернувши рідину, що сконденсувалася, назад, ми отримаємо замкнутий цикл. Перенесення рідини із зони конденсації в зону випару в тепловій трубі здійснюється за рахунок капілярних сил в гніті, закріпленому на внутрішніх стінках труби. Гніт в тепловій трубі діє так само, як і в старих гасових лампах, в яких гас поступає з резервуару до полум'я по гніту. Теплова труба була запропонована як засіб відведення тепла в космічних літальних апаратах: тепло, що виділяється електронними приладами, відводиться до зовнішніх стінок і там за рахунок випромінювання розсіюється в космосі. У зв'язку з цим теплова труба, здатна здійснювати теплоперенос в умовах невагомості, відразу ж знайшла практичне вживання при дослідженні космічного простору.

Завдяки тій простоті, з якою теплові труби працюють в умовах нормальної сили тяжіння, на їх основі були створені енергозбережні теплообмінники. "Скидне" тепло газів печі або топки, що відходять, можна уловлювати за допомогою теплообмінника з гратами з теплових труб, один кінець яких омивається газами, що відходять, а інший - потоком холодного свіжого повітря. Свіже повітря нагрівається за рахунок тепла газів, що відходять, передаваного за допомогою робочого тіла теплової труби. Для збільшення площі поверхні теплообміну труби можна оребрить. Компактна система такого роду здатна зберігати 60-70% енергій, яка інакше просто втрачалася б, розсіюючись в атмосфері. Нагріте повітря можна використовувати для опалювання або подавати в топку (наприклад, парового казана) як попередній підігрітого повітря для горіння палива. На практиці зазвичай застосовуються або горизонтальні теплові труби, або похилі з нижньою секцією, що нагрівається. Сила тягаря сприяє поверненню рідини у випарну секцію, а гніт рівномірно розподіляє її по всій поверхні. Але розроблені і т.з. антигравітаційні теплові труби, в яких секція, що нагрівається, розташована вище охолоджуваною. Теплова труба може працювати в широкому діапазоні температур, якщо як робочі рідини використовувати воду, звичайні хладагенты і рідкі вуглеводні. Чудовими робочими рідинами виявляються рідкі метали при високих температурах. Наприклад, один експериментальний пристрій з розплавленим сріблом у вольфрамовому резервуарі пропрацював сотні годинників при температурі вище 2200 До. В даний час мільйони теплових труб працюють в енергозбережних теплообмінниках і в промислових технологічних установках. Тисячі теплових акумуляторів такого типа відводять тепло з тундрового грунту під нафтопроводом Аляски. За рахунок охолоджування, що відбувається в зимові місяці, шар грунту під нафтопроводом підтримується замерзлим впродовж всього літа. Теплові труби все ширше застосовуються і в повсякденному житті.

Основні висновки:

1. Теплопередачею, або складним теплообміном, називають комплексний процес передачі тепла між двома теплоносіями (або між грійним і тим, що нагрівається середовищами), відокремленими роздільною стінкою. Процес теплопередачі складається з наступних етапів:

- конвективний теплообмін між грійним середовищем і поверхнею стінки зі зниженням температури від t₁до t`_ст при коефіцієнті тепловіддачі α₁

- передача тепла теплопровідністю всередині самої стінки товщиною δ зі зниженням температури від t`_ст до t``_ст при коефіцієнті теплопровідності λ

- конвективний теплообмін між поверхнею стінки і середовищем, що нагрівається, зі зниженням температури відt``_ст доt₂при коефіцієнті тепловіддачі α₂

2. Коефіцієнт теплопередачі k чисельно вимірює тепловий потік, що передається через стінку площею 1 м² при різниці температур між грійним і тим, що нагрівається, середовищами, яка дорівнює одному градусу. Для поліпшення теплопередачі або підвищення коефіцієнта теплопередачі треба зменшити термічний опір стінки або сумарний опір усіх її шарів.

3. Для кращої теплопередачі від топкових газів до води у паровому котлі котел треба експлуатувати так, щоб шар δ₁ сажі й кіптяви на стінці котла і шар накипу δ3 були найменшими, бо збільшення товщини цих шарів, тобто забруднення стінок котла сажею і накипом призводить до підвищення термічного опору стінки котла, збільшення витрати палива на вироблення одиниці пари та до зниження економічності котельної установки.

4. Теплообмінники можна класифікувати за принципом дії, призначенням, способом організації руху теплоносіїв та іншими ознаками. Змішувальні теплообмінники застосовуються для нагрівання або охолодження води в потоці повітря або газу. У рекуперативних апаратах передача теплоти від одного теплоносія до іншого відбувається через роздільну́ стінку (наприклад, стінку труби). Можливі різні схеми руху теплоносіїв: прямоточна (теплоносії рухаються уздовж поверхні нагріву в одному напрямі); протиточна (теплоносії рухаються в протилежних напрямах); складна (наприклад, перехресна течія). Теплообмінники з проміжним теплоносієм використовуються в тому випадку, коли недоцільно транспортувати гарячий теплоносій на великі відстані або коли неприпустимий безпосередній контакт гарячого і холодного теплоносіїв. Особливість теплообмінників з внутрішнім тепловиділенням полягає в тому, що вони мають не два, як звичайно, а тільки один теплоносій, який забирає тепло, утворене в самому апараті. До апаратів цього типу належать ядерні реактори, електронагрівники та інші установки, в яких робочий процес пов'язаний з виділенням тепла. В теплотехнічному відношенні протитечійні апарати вигідніші від прямоточних апаратів

Контрольні питання:

1. Дати визначення поняттю «теплопередача».

2. Пояснити особливості процесу складного теплообміну через плоску одношарову та багатошарову стінку.

3. Пояснити особливості розрахунку коефієнту теплопередачі та термічного опору через одношарову та багатошарову стінку

4. Пояснити різницю понять тепловіддача, теплопередача, теплопровідність, теплообмін.

5. Перерахувати відомі види теплообмінних апаратів.

6. Пояснити особливості роботи поверхневих та регенеративних теплдообмінників.

7. Які існують схеми руху теплоносіїв в теплообмінних аппаратах? Яка найбільш вигідна?

8. Пояснити застосування теплоізоляційних матеріалів в теплообмінних аппаратах.

9. Назвати методи інтенсифікації процесів теплообміну.

Домашнє завдання:

1. Повторення матеріалу теми за конспектом.

Прочитати:

[1] c. 223-232; [2] c. 165-173.

Тема №15

Поиск по сайту: