16.2. Теплопередача через ребристые поверхности

Ребристые поверхности применяют при необходимости выровнять термические сопротивления. Например, с одной стороны теплоноситель имеет высокий коэффициент теплоотдачи, с другой стороны — теплоноситель с теплоотдачей значительно более низкой. Соответственно, со стороны теплоносителя с низкой теплоотдачей существует большое термическое сопротивление, которое необходимо снизить. Один из методов снижения термического сопротивления — увеличение площади поверхности теплообмена со стороны теплоносителя с малой теплоотдачей. Применение развитой ребристой поверхности теплообмена интенсифицирует процесс теплоотдачи с этой стороны, что приводит к росту коэффициента теплопередачи и к общей интенсификации процесса теплообмена.

Рис. 16.6. Теплопередача через ребристую стенку

Рассмотрим плоскую стенку (рис. 6.6) толщиной , материал который имеет коэффициент теплопроводности . Со стороны теплоносителя с низкой теплоотдачей стенка имеет ребра, выполненные из этого же материала. Гладкую поверхность площадью F₁ омывает горячий теплоноситель (средняя температура которого t_г) с высокой теплоотдачей _г. Температура этой поверхности t₁. Температура холодной жидкости, омывающей ребристую поверхность t_х, площадь ребристой поверхности — F₂, среднее значение температуры ребристой поверхности t₁ Коэффициент теплоотдачи на границе "холодная жидкость – ребристая стенка" низок и равен _х. Установившейся стационарный тепловой поток может быть описан тремя уравнениями:

; (16.23)

; (16.24)

. (16.25)

Приведенные уравнения описывают количество тепла переданного:

• от горячего теплоносителя к гладкой поверхности стенки;

• прошедшего сквозь стенку от гладкой её поверхности к ребристой;

• то же количество тепла, переданное от наружной поверхности ребер холодному теплоносителю.

Уравнения (16.23) – (16.25) дают нам возможность определить частные температурные напоры

Складывая левые части уравнений, получим полный температурный напор

.

Отсюда

; (16.26)

. (16.27)

Однако формулы (6.21) и (6.22) при проведении расчётов практически не используют, так как обычно в расчетах необходимо определить площадь либо гладкой, либо оребренной поверхности. И тогда коэффициент теплопередачи относит либо к гладкой, либо к оребренной поверхности.

. (16.28)

Здесь K₁ и K₂ — коэффициенты теплопередачи, отнесенные к гладкой и ребристой поверхности соответственно.

; (16.29)

, (16.30)

где K₁ — коэффициент теплопередачи при расчетах необходимой площади гладкой поверхности;

K₂ — коэффициент теплопередачи, отнесенный к единице оребренной поверхности;

— отношение площади оребренной поверхности к площади гладкой поверхности, называется коэффициентом оребрения.

Если геометрические параметры ребристой поверхности заданы, и значения коэффициентов теплоотдачи ₁ и ₂ известны, то расчет теплопередачи через такую стенку трудностей не представляет.

16.3. 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 _г = 5000 Вт/(м²·К), с другой стороны воспринимающая среда — воздух _х = 5 Вт/(м²·К), теплопроводность стенки  = 50 Вт/(м²·К), толщина стенки  = 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 _г = 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, _х = 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 _г = _х. 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.