2.1.5. Регулирование интенсивности теплопередачи

В практике разработки и эксплуатации технических установок, трубопро-во-дов и другого теплоэнергетического оборудования приходится решать задачи уве-личения или снижения тепловых потоков, идущих через поверхности различной формы от одной среды к другой. При этом одновременно решаются и другие за-дачи, например обеспечение безопасности и надежности, простоты конструкции и ее технологичности, оптимальной стоимости, защиты окружающей среды и др.

Интенсификация теплопередачи. Существуют следующие основные направ-ления интенсификации теплопередачи в энергетических установках и аппаратах.

1. Создание развитых поверхностей теплообмена за счет их оребрения со стороны окружающей среды с малым коэффициентом теплоотдачи. При этом часто одновременно решается задача минимизации массы ребристой стенки при заданной степени интенсификации теплообмена.

2. Изменение гидродинамических условий на поверхности теплообмена за счет искусственной турбулизации: создание различных видов шероховатостей на обтекаемых поверхностях, использование различных турбулизирующих вставок, применение различных физических эффектов (пульсирующее поле давлений, электромагнитное поле) и др. С другой стороны, турбулизация потока увеличива-

ет его гидравлическое сопротивление, что требует дополнительных затрат на прокачку жидкости через систему.

3. Оптимизация геометрических размеров поверхностей теплообмена. Оп-тимальное уменьшение диаметра труб в теплообменнике позволяет увеличивать их число, а следовательно, и общую поверхность теплообмена при сокращении его габаритов.

Рассмотрим некоторые возможные пути интенсификации теплопередачи на примере плоской стенки. Из уравнения (2.23) следует, что при заданных температурах плотность теплового потока через плоскую стенку зависит от коэффициента теплопередачи, увеличение которого может быть достигнуто за счет применения более тонкой стенки, выбора материала с высокой теплопро-водностью или увеличения коэффициентов теплоотдачи. Если термическое сопротивление стенки мало (δ/λ ~ 0), то коэффициент теплопередачи

к ≈ 1 / (1/α₁ + 1/α₂) = α₁α₂ /(α₁ + α₂) (2.36)

всегда меньше самого малого коэффициента теплоотдачи. Для увеличения k необходимо увеличивать наименьшее из значений коэффициентов теплоотдачи α₁ или α₂. Если α₁ = α₂, увеличение коэффициента теплопередачи возможно за счет роста α. При больших значениях коэффициентов теплоотдачи α₁ и α₂ коэффициент теплопередачи k в значительной степени зависит от теплопро-водности и толщины стенки.

При передаче теплоты через цилиндрическую стенку из (2.37) следует, что термические сопротивления 1/(α₁d₁) и 1/(α₂d₂) зависят не только от коэф-фициентов теплоотдачи, но и от размеров поверхностей. Если α₁ и α₂ малы, то термическое сопротивление теплоотдачи можно уменьшить путем увеличения соответствующей поверхности.

Для уменьшения термического сопротивления теплопередачи через стенку используется оребрение ее внешних поверхностей теплообмена. Ребристые поверхности изготавливаются в виде сплошных отливок либо отдельных ребер, приваренных к поверхностям. Отношение площади оребренной поверхности F_p к площади гладкой поверхности F_гл называют коэффициентом оребрения

β = F_p / F_гл .

Так как температура по высоте ребра переменна, изменяется и коэффициент теплоотдачи α_р, который может быть определен только опытным путем.

Тепловая изоляция (ослабление теплопередачи). Для уменьшения теплового потока (тепловых потерь) в общем случае необходимо увеличивать термическое сопротивление теплопередачи. Это обеспечивается тепловой изоляцией, выпол-ненной из теплоизоляционных материалов с низким значением коэффициента теплопроводности. Однако не всегда увеличение толщины слоя изоляции приво-дит к увеличению термического сопротивления теплопередачи. Анализ механизма теплопередачи в таких случаях позволяет избежать ошибок при выполнении теплоизоляционных работ.