Оценка эффективности теплообменных аппаратов

Возможны различные виды оценки ТА. Одними из важнейших для практики являются экономические оценки в денежном выражении – через затраты на изготовление (приобретение) и эксплуатацию аппарата. Но их расчёт сложен, а значение зависит не только от конструкции ТА, но также от различных условий изготовления и эксплуатации, вплоть до общей экономической ситуации – цен на энергоносители, на землю и т.п. С инженерной точки зрения интересны технические критерии оценки, на которых и основываются экономические оценки.

Одним из главных видов оценки является критерий Кирпичёва

,

где – тепловой поток, передаваемый в ТА, Вт,

– мощность, затрачиваемая на прокачку теплоносителей через ТА, , Вт.

Величину можно считать энергетической эффективностью, или, ещё точнее, энергетической экономичностью. Чем больше значение , тем лучше теплообменник. Однако ясно, что судить о качестве, совершенстве теплообменников по значению правомерно только, если сравниваемые ТА решают одинаковую задачу, то есть работают на одинаковых теплоносителях в одинаковых температурных режимах, а именно теплоносители имеют одинаковые входные и выходные температуры. Достоинство в том, что он позволяет сравнивать ТА с разными расходами, с разной производительностью.

Используются и иные критерии энергетической эффективности, но они имеют более узкое, специальное применение, например, для оценки эффективности интенсификации.

Кроме энергетической экономичности, бывает нужно оценивать и другие характеристики. Например, размеры и масса (материалоёмкость) аппарата оцениваются параметрами , Вт/м³(компактность), и , Вт/кг, где – объём, занимаемый ТА, – его масса.

Для увеличения технической эффективности, например, кожухотрубчатых рекуперативных ТА выгодно применять трубы малого диаметра, размещая их в пучке с возможно меньшим шагом. Но уменьшение диаметра менее 12 мм существенно затрудняет эксплуатацию (чистку и ремонт) и изготовление, и в промышленных ТА применяют чаще всего трубы с диаметром 12÷16 мм. Поэтому, наряду с выбором эффективной схемы аппарата, необходимо применять оребрение поверхностей, интенсификацию теплообмена и т.д.

При увеличении скорости прокачки, применении оребрения или интенсификаторов одновременно с повышением обычно возрастает . Задача определения параметров ТА, обеспечивающих наиболее выгодные значения критериев эффективности (например, ), является основной задачей проектирования. Её можно рассматривать как оптимизационную задачу.

Теплоотдача при свободной конвекции

Вспомним определения.

Конвекция – перенос теплоты при перемещении макрообъёмов жидкости из области пространства с одной температурой в область с другой. Это один из трёх простых видов теплообмена.

Конвективный теплообмен – теплообмен в движущейся жидкости. Это сложный вид теплообмена, сочетание конвекции и теплопроводности.

Свободная конвекция – вид конвективного теплообмена, когда на жидкость не действуют внешние поверхностные силы, она движется за счёт неоднородности массовых сил, связанной обычно с различием плотностей нагретой и холодной жидкости. Подчеркнём, что свободная конвекция – вид конвективного теплообмена, а не конвекции.

Обычно массовыми силами являются силы тяжести – это естественная или свободно-гравитационная конвекция (ещё более точное название – термогравитационная). При этом жидкость, например, около горячего тела нагревается и расширяется, её плотность и удельный вес уменьшаются и нагретый объём поднимается вверх.