9. Интенсификация процессов теплопередачи. Правила интенсификации теплопередачи.

Для интенсификации или увеличения количества теплоты Q, пе­редаваемой от горячей жидкости к холодной через стенки, необходимо увеличивать коэффициент теплопередачи k, так как поверхность F и разность температур ΔT, зависят только от конструкции системы и фи­зических условий. Термическое сопротивление теплопроводности стенки R = δ / λ стремится к нулю, так как у труб теплообменников толщина δ мала, а коэффициент теплопроводности λ материалов (ме­таллов) велик.

Следовательно, коэффициент теплопередачи k будет зависеть в основном от коэффициентов теплоотдачи α₁ и α₂, а именно k = (α₁ · α₂) / (α₁ + α₂).

Правила интенсификации теплопередачи.

1. Если один коэффициент теплоотдачи намного больше или мень­ше другого α₁ << α₂ или α₁ >> α₂, то интенсифицировать теплопере­дачу необходимо путем увеличения меньшего из коэффициентов теп­лоотдачи.

2. Если коэффициенты теплоотдачи примерно равны: α₁ ≈ α₂, то интенсифицировать теплопередачу необходимо путем увеличения обо­их коэффициентов теплоотдачи.

3. Интенсификацию теплопередачи, путем увеличения большего из коэффициентов теплоотдачи, нельзя классифицировать как грамот­ное инженерное решение — оно всегда экономически невыгодно.

4. Если по физической природе или конструктивным особенно­стям нельзя увеличить меньший, из коэффициентов теплоотдачи, то на поверхности теплопередающей системы со стороны этого меньшего коэффициента теплоотдачи устанавливают ребра (оребряют) и тем са­мым компенсируют увеличение теплоотдачи более развитой поверхно­стью нагрева. На поверхность плоской или цилиндрической системы можно плотно насадить (наклепать или приварить) прямоугольные или круглые пластины — ребра, а также цилиндрические или конические шипы. Коэффициент оребрения системы φ — отношение площади поверхности системы с ребрами к гладкой поверхности.

5. Так если, коэффициент теплоотдачи жидкости α₁ = 1000 Вт/(м²·К), окружающей среды

α₂ = 10 Вт/(м²·К), то оребрение с коэффициентом φ = 25 со стороны меньшего α₂ увеличивает k примерно в 20 раз.

6. Увеличение коэффициентов теплоотдачи однофазных жидко­стей (масло, вода), может осуществляться также за счет снижения тол­щины пограничного ламинарного слоя и перехода движения жидкости к турбулентному режиму, что может достигаться путем увеличения скорости движения жидкости или принятия конструктивных решений (например, применить волнистые поверхности, шипы). Однако это приводит к дополнительным гидравлическим сопротивлениям.

10. Тепловая изоляция и критический диаметр изоляции.

Теплоизоляционными называют материалы, коэффициент теплопроводности которых при

T = + 50…100 ^oC меньше 0,23 Вт/(м·К). К ним относят: шлаковую вату, совелит, вермекулит, асбест и др.

Если коэффициент теплопроводности применяемой тепловой изоляции λ_из удовлетворяет неравенству λ_из < α₂d₂ / 2, то материал выбран правильно и изоляция рентабельная. Если условие λ_из < α₂d₂ / 2 не выполнено, и выбран материал теплоизоляции с λ_из > α₂d₂ / 2, то при его нанесении на трубопровод тепловые потери будут не снижаться, а наоборот, увеличиваться. При неправильном выборе материала изоляции, с λ_из, наибольшие тепловые потери имеют место при значении диаметра изоляции

d_зкр = d^*_из = d_кр = 2 · λ^*_из / α₂

Последнее соотношение называют «критическим диаметром» тепловой изоляции. «Критический диаметр» тепловой изоляции d^*_из должен быть как можно меньше и поэтому в качестве теплоизолятора должен использоваться материал, имеющий минимальное значение коэффициента теплопроводности λ_из.

В структуру «критического диаметра» тепловой изоляции d^*_из входят только коэффициент теплопроводности изоляции λ_из и коэффициент теплоотдачи α₂, без влияния трубопровода (голого или изолированного) и его диаметра d₂. Это положение не всегда и не сразу воспринимается и поэтому вместо понятия «критический диаметр» для тех же целей можно использовать понятие «критическая толщина слоя», которая равна

d_кр = 2 · λ^*_из / α₂ = 2 · 0,2 / 8 = 0,05 м.

То есть, весь сортамент неизолированных трубопроводов с диаметром d₂ до 0,05 м, и нанесением на них предлагаемой изоляции, с коэффициентом теплопроводности λ_из = 0,2 Вт/(м·К), будет нерентабельным. Причем, наибольшие тепловые потери такого изолированного трубопровода (с любым диаметром до 0,05 м) имеют место при значении наружного диаметра изоляции d_зкр = 0,05 м.

Для плоских систем любая тепловая изоляция будет всегда рентабельна независимо от коэффициента теплопроводности и толщины изоляции.