Теплопередача

Теплопередача – процесс передачи теплоты от более нагретой среды к менее нагретой среде через стенку.

Механизм теплопередачи складывается из трех стадий (рис. 5.2): конвекции от первой среды к плоской стенке:

теплопроводности через плоскую стенку:

конвекции от плоской стенки ко второй среде:

В результате совместного решения уравнений (5.15) - (5.17) получим

где - коэффициент теплопередачи, а сумма в знаменателе – общее термическое сопротивление процессу теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи К, показывает какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку с площадью поверхностью 1 м² при разности температур между теплоносителями один градус.

В случае рассмотрения процесса передачи теплоты через стенку, цилиндрической формы (рис. 5.3) механизм теплопередачи остается прежним, а количество теплоты, передаваемой на каждой стадии, можно записать:

для первой стадии

Совместное решение уравнение (5.19)-(5.21) позволяет получить выражение

Здесь коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки К_цил, имеет размерность иную, чем для плоской стенки К_цил,

Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи приведены в табл. 5.4.

Как следует из анализа уравнений (5.18) и (5.22) движущей силой процесса теплопередачи является разность Температур между горячим и холодным теплоносителем.

Однако температуры теплоносителей в процессе теплопередачи чаще всего меняются вдоль поверхности теплообмена (за ис­ключением случая изменения агрегатного состояния теплоноси­теля), поэтому при расчетах в уравнение (5.1) подставляют среднюю разность температур Δt_cp.

Определение Δt_cp осуществляется следующим образом.

Если Δt_max и Δt_min – большая и меньшая разности температур между теплоносителями в начале и конце процесса теплопередачи и Δt_max/ Δt_min ≤ 2, то средняя разность температур определяется как среднеарифметическое

В случае Δt_max/ Δt_min > 2 определение осуществляется по среднелографической зависимости

Теплопередача при переменных температурах зависит от взаимного направления движения теплоносителей вдоль разделяющей их стенки.

При прямотоке теплоносители движутся в одном направлении,

Противоток характеризуется движением теплоносителя в противоположных направлениях.

При перекрестном токе теплоносители движутся перпендикулярно один другому, при смешанном токе один из теплоносителей движется в одном направлении, а другой – как прямотоком, так и противотоком к первому.

Наиболее распространенными видами движения являются прямоток и противоток. Однако применение противотока более экономично, чем прямотока.

Это следует из того, что средняя разность температур при противотоке больше, чем при прямотоке, а расход теплоносителей одинаков (при одинаковых начальных и конечных температурах теплоносителей).

Сопоставление температурных режимов работы теплообменных аппаратов при прямотоке и противотоке убеждает, что при прямотоке максимальный температурный напор имеет место у входа в теплообменник. Затем этот напор уменьшается, достигая минимального значения на выходе из аппарата. При противотоке тепловая нагрузка более равномерна, а конечная температура нагревающей среды может быть выше конечной температуры охлаждающей среды.

При расчете теплообменных аппаратов, а также аппаратов, работающих со средами, температура которых отличается от тем­пературы окружающей среды, необходимо знать температуры на внешней и внутренней поверхностях стенок.

Так из уравнений (5.15) и (5.17)

Подставив в (5.15) значения тепловой нагрузки из уравнении (5.1), получим выражение для определения температуры поверхностей стенки

Тепловые потери. Если одна из поверхностей теплопередающей стенки контактирует с окружающей средой, то тепловой поток, проходящий через нее от обрабатываемого вещества с противоположной стороны, теряется безвозвратно. Поэтому целью разработчика технологической аппаратуры чаще всего является уменьшение таких потерь.

Отдача теплоты от поверхности аппарата в окружающую среду происходит в общем случае путем конвекции и лучеиспускания, поэтому при расчете потерь теплоты следует пользоваться уравнением (5.14).

При расчете задаются температурой наружной поверхности аппарата (t_ст), а затем проверяют ее.

Для уменьшения потерь теплоты аппараты покрывают слоем тепловой изоляции, т. е. слоем материала с низкой теплопроводностью. При нанесении тепловой изоляции увеличивается тепловое сопротивление стенки и уменьшается температура наружной поверхности аппарата. Этим достигается снижение потерь теплоты, улучшаются условия труда обслуживающего персонала.

При выборе толщины изоляции следует исходить из допустимых потерь теплоты, которые не должны превышать 3...5% от общей тепловой нагрузки, а также допустимой температуры стенки, которая на рабочих местах и в проходах во избежание ожогов, должна быть меньше 45°С.

Далее приведены коэффициенты теплопроводности некоторых теплоизоляционных материалов.

Асбест..........................................................................................0,151

Войлок шерстяной......................................................................0,163

Изоляционный кирпич..........................................................0,116...0,209

Пенопласт....................................................................................0,047

Стеклянная вата.....................................................................0,035...0,070

Шлаковая вата.............................................................................0,076

Контрольные вопросы

1. Что является движущей силой тепловых процессов?

2. Какие механизмы передачи теплоты существуют?

3. От чего зависит коэффициент теплопроводности?

4. В чем состоят различия между естественной и вынужденной конвекцией?

5. От каких параметров наиболее существенно зависит коэффициент теплоотдачи?

6. Какие критерии относятся к критериям теплового подобия и каков физический смысл?

7. На чем основывается механизм передачи теплоты излучением?

8. В чем заключается сущность процесса теплопередачи?

9. Как определяется средняя движущая сила процесса теплопередачи?

10. Какие теплоизоляционные материалы применяются в промышленности?