Тепловой изоляцией называют любое покрытие, способствующее уменьшению теплового потока через данную поверхность. 2 страница

Рассмотрим пример воздухоохладителя непосредственного испарения, для которого коэффициент теплоотдачи со стороны кипящего хладагента , а со стороны воздуха .

Частные термические сопротивления:
Общее термическое сопротивление:

т. е. .

Уменьшить термическое сопротивление можно увеличением поверхности с помощью ее оребрения. Наиболее существенное изменение полного сопротивления теплопередачи за счет частных происходит до тех пор, пока сопротивления и не сравняются. При требуемый коэффициент оребрения поверхности

­­­

(26)

т. е. за счет оребрения увеличивают поверхность теплообмена во столько раз, во сколько коэффициент теплоотдачи меньше коэффициента с другой стороны.

В рассматриваемом примере рациональный коэффициент оребрения

­­­

При таком оребрении общее термическое сопротивление составит
, т. е, уменьшится в 10,5 раз. Во столько же раз возрастет тепловой поток.

Рациональное оребрение, определяемое условием зависит от условий теплообмена. Например, в кожухотрубном конденсаторе, работающем на хладагенте R12, при том же коэффициенте теплоотдачи со стороны агента , и

коэффициенте теплоотдачи со стороны рассола оребрять нужно поверхность со стороны хладагента, при этом .

В рассмотренном примере показано влияние на коэффициент оребрения только условий теплоотдачи. В действительности рациональное значение определяется не только отношением коэффициентов теплоотдачи, но и степенью эффективности ребер, термическими сопротивлениями загрязняющих веществ, технологическими возможностями изготовления оребренной поверхности и т. д.

На теплообмен оребренной поверхности существенное влияние оказывает распределение температур по высоте ребра, в то время как в рассмотренном примере предполагалось, что термическое сопротивление стенки мало и поэтому оребренная и неоребренная поверхности имеют одну и ту же температуру.

­­­

Графически она может быть определена по равенству заштрихованных площадей (рис. 5, б). Средний температурный перепад при рассмотрении задач теплопроводности называют средней избыточной температурой поверхности ребра, а величину — избыточной температурой основания ребра.

Тепловой поток от ребра к жидкости можно определить по уравнению Ньютона — Рихмана

где		— периметр сечения ребра;
		— высота ребра;
		— площадь поверхности теплообмена ребра.

В случае если бы ребро имело бесконечно большую теплопроводность, его температура по высоте была бы постоянной и равной . Такое ребро было бы способно передавать больший тепловой поток:

­­­

(27)

Следовательно, эффективность ребра может быть оценена отношением

­­­

(28)

Величину , равную отношению средней избыточной температуры к избыточной температуре основания ребра, называют коэффициентом эффективности ребра. Используя этот коэффициент, тепловой поток от поверхности ребра к омывающей среде

можно представить в виде

­­­

(29)

Таким образом, для расчета теплового потока по формуле (29) помимо исходных данных необходимо иметь значение коэффициента эффективности ребра для конкретных условий задачи.

Величина зависит как от геометрии и материала ребра, так и от условий теплоотдачи. Для плоского ребра (рис. 5, а) величин у рассчитывают по формуле

­­­	(30)
где		— гиперболический тангенс по аргументу ;
		— вспомогательная величина;
	,	— высота и толщина ребра;
		— теплопроводность материала ребра

		0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,8	1,0
		0,997	0,987	0,971	0,950	0,924	0,895	0,830	0,762
	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0
	0,695	0,632	0,576	0,525	0,482	0,394	0,332	0,285	0,250

Форма сечений плоских ребер не является оптимальной с точки зрения максимального теплообмена и минимальной массы аппарата. Было установлено, что оптимальный профиль ребра, обеспечивающий минимальную массу при заданном тепловом потоке, образован дугами окружности. Широкое применение нашли треугольные и трапециевидные формы ребер, которые по массе мало отличаются от оптимальных, но значительно более технологичны.

В трубчатых аппаратах холодильных машин часто применяют круглые ребра постоянной и переменной толщины, а также квадратные н пластинчатые постоянной толщины (рис. 6). Коэффициент эффективности ребер постоянной толщины находят по формуле

;

(31)

где — приведенная высота ребра (табл. 2); — критерий Био.

В специальной литературе приводятся зависимости для нахождения коэффициента для других типов ребер

Таблица 2
Формулы для расчета приведенной высоты ребра
Тип ребра	Номер рисунка	Расчетная формула
Круглое	6, а	;
Прямоугольное () квадратное ()	6, б	;
При
Пластинчатые:
коридорный пучок	6, в	Как для прямоугольного ребра
шахматный пучок	6, г	Как для прямоугольного ребра, но
При

Действительный коэффициент теплоотдачи оребренной поверхности. При обтекании пучка оребренных труб изменяются условия теплоотдачи, на которые оказывает дополнительное влияние геометрия оребрения. Ввиду многообразия конструкций ребер в литературе приводится большое число расчетных зависимостей для нахождения коэффициентов теплоотдачи, характерных для группы подобных поверхностей.

Для случая поперечного обтекания труб с круглыми и прямоугольными ребрами Э.С. Карасина предложила критериальное уравнение

­­­

(32)

в котором за определяющий размер принят шаг ребер , за определяющую скорость — скорость в узком сечении.

В случае круглых ребер: для шахматного пучка труб и ; для коридорного пучка и .

В случае квадратных ребер: для шахматного пучка и ; для коридорного пучка и .

Формула (32) справедлива для

шахматного пучка при
коридорного пучка при

Неравномерность теплоотдачи по высоте ребер учитывается введением в уравнение (32) коэффициента .

Критериальные уравнения для расчета теплоотдачи при других типах оребрения приводятся в справочной литературе.

Приведенные коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи оребренной поверхности. Различие площадей поверхности теплообмена, воспринимающих и отдающих теплоту, различие температур ребер и межреберного пространства, а также различие условий теплообмена отдельных участков теплообменной поверхности приводят к усложнению расчета процесса теплопередачи. Практически оказалось удобнее рассматривать и учитывать влияние всех этих факторов в целом. Для этого в расчетах передачи теплоты через оребренные поверхности вместо истинного коэффициента теплоотдачи пользуются усредненной величиной, называемой приведенным коэффициентом теплоотдачи. Эта величина получается из уравнения (27) и учитывает теплоотдачу поверхности ребер, поверхности гладкой части стенки и эффективность ребра:

­­­

(33)

где — расчетная площадь поверхности теплообмена.

Обычно в качестве принимают наружную оребренную поверхность трубы, равную сумме площадей поверхности ребер и межреберных участков трубы () или наружную поверхность гладкой трубы (), взятую по диаметру основания ребер.

Рассмотрим передачу теплоты через оребренную поверхность трубы (рис. 6, б). Температуры сред и постоянны, причем . Коэффициенты теплоотдачи и сред, омывающих внутреннюю и наружную поверхности трубы, не изменяются. Температура ребра изменяется только по его высоте, теплоотдача с торцов ребер равна нулю. Тепловой поток , передаваемый наружной оребренной поверхностью к менее нагретой среде, будет складываться из теплоты, переданной ребрами и межреберным пространством . В соответствии с законом Ньютона — Рихмана

­­­

где — средняя температура стенки трубы и ребра.

Заменив разности температур избыточными температурами и введя коэффициент эффективности ребра, имеем

­­­

или

­­­

(34)

Подставив выражение (34) в уравнение (33), получим

­­­

(35)

Приведенный коэффициент теплоотдачи может быть отнесен или к общей оребренной поверхности трубы (тогда ), или к неоребренной наружной поверхности (тогда ):

­­­	(36)
­­­	(37)

В этих уравнениях площади поверхностей принимают или для трубы длиной 1 м, или для участка трубы, включающего одно ребро и один межреберный промежуток.

В установившемся тепловом режиме передачу теплоты от одной среды к другой через разделяющую ребристую стенку можно разделить на три этапа и записать для них уравнения, аналогичные (1):

1) теплоотдача от первой среды с температурой к внутренней поверхности трубы с температурой (рис. 6, б)

­­­

(38)

2) теплопроводность через стенку трубы без учета влияния ее кривизны, т. е. когда ,

­­­	(39)
где		— толщина стенки;
		— поверхность трубы по среднему диаметру;

3) теплоотдача от наружной ребристой поверхности ко второй среде с температурой при условии, что тепловой поток отнесен к общей оребренной поверхности стенки,

­­­

(40)

Решив уравнения (38)–(40) относительно частных температурных напоров, просуммировав их правые и левые части, запишем полученное выражение относительно , разделив предварительно числитель и знаменатель на :

­­­

(41)

Знаменатель уравнения (41) является приведенным термическим сопротивлением оребренной трубы, отнесенным к поверхности . Обратная ему величина называется приведенным коэффициентом теплопередачи оребренной трубы, отнесенным к той же поверхности :

­­­

(42)

где — коэффициент оребрения.

Аналогично можно было бы получить формулы для приведенных коэффициентов теплопередачи, отнесенных к или .

Чаще всего в расчетах приведение делают к наружной или внутренней поверхности. В последнем случае

­­­

(43)

где

­­­

(44)

Из формул (42) и (44) следует, что .

Таким образом, при расчете коэффициентов теплопередачи необходимо отнести их к какой-либо поверхности и далее в расчетах использовать или уравнения (19.41) и (19.42), если за расчетную поверхность принята , или уравнения (43), (44), если за расчетную поверхность принята .

Теплообменным аппаратом называется устройство, служащее для передачи теплоты от одной среды к другой.

Классификация. По принципу взаимодействия сред аппараты разделяются на поверхностные и аппараты смешения.

В аппаратах смешения происходит слияние потоков одного и того же вещества, имеющих различную температуру. При этом практически невозможно определить площадь поверхности их теплообмена, так как происходит взаимопроникновение частиц каждого из потоков. Примером таких аппаратов является смеситель горячей и холодной воды. В поверхностных аппаратах перенос теплоты от одной среды к другой происходит через поверхность раздела сред, которая может быть или выполнена из инородного материала, или образована в процессе непосредственного взаимодействия сред. Поверхностные аппараты по способу организации поверхности и ее роли в процессе теплообмена подразделяют на рекуперативные, контактные и регенеративные.

В рекуперативных аппаратах обменивающиеся теплом среды разделены инородной поверхностью теплообмена (стенкой), которая играет пассивную роль – разделения сред. Поверхность теплообмена при этом постоянна и определяется конструкцией аппарата.

В контактных аппаратах теплота от одной среды к другой переносится при их непосредственном взаимодействии (контакте). В отличие от аппаратов смешения, в контактных аппаратах имеется поверхность раздела обменивающихся теплотой сред. Однако эта поверхность зависит не только от конструкции аппарата, но и от условий его работы. Это же отличает контактные аппараты от рекуперативных, в которых поверхность теплообмена определяется только конструкцией. Примером контактных аппаратов являются оросительные камеры, градирни и т. д., в которых обмениваются теплотой взаимно нерастворимые среды одинакового или различного фазового состояния.

Дата добавления: 2017-01-14; Просмотров: 1108; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!