3. Теплопередача і теплообмінні апарати.

Програмні питання

Теплопередача через плоску одношарову і багатошарову стінки. Коефіцієнт теплопередачі і термічний опір теплопередачі. Методи інтенсифікації теплопередачі. Теплопередача через циліндричну стінку. Теплова ізоляція.

Теплообмінні апарати. Класифікація теплообмінних апаратів. Порівняя прямоточних і протиточних схем руху теплоносіїв.

Прочитайте

Л -1, ст. 156-159; Л -2, 118-125; Л-3, ст..155-157.

Теоретичні відомості

Теплопередачею, або складним теплообміном, називають комплексний процес передачі тепла між двома теплоносіями (або між грійним і тим, що нагрівається середовищами), відокремленими роздільною стінкою.

Розглянемо теплопередачу між двома середовищами (грійним з температурою t₁ і тим, що нагрівається, з температурою t₂) через плоску роздільну одношарову стінку (мал., а). Комплексний процес передачі тепла в цьому випадку можна поділити на такі етапи:

1 ) конвективний теплообмін між грійним середовищем і поверх­нею стінки зі зниженням температури від t₁ до t_ст при коефіцієнті тепловіддачі α₁;

2) передача тепла теплопровідністю всередині самої стінки товщи­ною δ зі зниженням температури від t’_ст до t^’’_ст при коефіцієнті тепло­провідності λ;

3) конвективний теплообмін між поверхнею стінки і середови­щем, що нагрівається, зі зниженням температури від t^’’_ст до t_ст2 при коефіцієнті тепловіддачі α₂

При усталеному процесі теплопередачі тепловий потік Q однако­вий на всіх трьох етапах і на кожному етапі визначається так:

на І етапі Q = α₁F(t₁ - t^’_ст) (а)

на II етапі (б)

на III етапі Q = α₁F(t^’’_ст – t₂) (в)

Визначивши з виразів (а), (б) і (в) різниці температур, дістанемо: ,

(а₁); (б₁); (в₁)

Додавши почленно рівняння (а₁), (б₁) і (в₁), матимемо:

звідси:

(г)

Дріб правої частини перед дужками називають коефіцієнтом теплопередачі і позначають літерою к.

Підставивши це значення у вираз (г), дістанемо:

або

(3.1)

З формули (3.1) визначимо розмірність к:

[Вт/(м²К)] (3.2)

Якщо F = 1 м² і t₁-t₂ = 1°, Q= 0.

Це означає, що коефіцієнт теплопередачі к чисельно вимірює тепловий, потік, що передається через стінку площею 1 м² при різниці темпера­тур між грійним і тим, що нагрівається, середовищами, яка дорів­нює одному градусу.

Вираз визначає загальний термічний опір R_заг, тому

Теплопередача через плоску багатошарову стінку (мал. б) відрізняється значенням коефіцієнта теплопередачі, який при пере­дачі тепла теплопровідністю (у II етапі) повинен враховувати сумар­ний термічний опір всіх шарів стінки, тобто

(3.3)

Таким чином, формула (3.2) справедлива і для теплопередачі через багатошарову плоску стінку, якщо значення коефіцієнта тепло­передачі к враховує термічні опори всіх шарів стінки відповідно до формули (3.3).

Отже, для поліпшення теплопередачі або підвищення коефіцієнта теплопередачі треба зменшити термічний опір стінки або сумарний опір усіх її шарів.

Теплообмінними апаратами (теплообмінниками) називають пристрої, призначені для нагрівання одного теплоносія (того, що нагрівається) за рахунок охолодження другого теплоносія (грійного).

Як теплоносій застосовують рідину або газ.

Теплоносії бувають:

• гріючими;

• нагрівними.

Так, наприклад, гарячий газ у топці парового котла є гріючим теплоносієм, а вода в котлі – нагрівним; вода в опалювальному радіаторі – гріючий теплоносій, а повітря, що розносить теплоту по приміщенню, - нагрівний.

За конструкцією теплообмінні апарати поділяються на:

- поверхневі (рекуперативні);

- регенеративні;

- струменеві (змішувальні);

- тепло­обмінники з внутрішнім тепловиділенням.

У поверхневих теплообмінних апаратах грійне й те, що нагрі­вається, тіла (рідина чи газ) рухаються по обидва боки роздільної стінки, через яку й відбувається теплопередача. Такі апарати най­більш поширені. Прикладом їх є парові котли, водопідігрівники, конденсатори, повітропідігрівники, пароперегрівники тощо.

Вони поділяються за напрямком потоків теплоносіїв на теплообмінники:

- з паралельною течією;

- з протитечією;

- з перехресною течією;

зі змішаною течією.

У регенеративних апаратах теплопередача відбувається циклічно: спочатку грійне тіло проходить крізь спеціальний насадок і нагріває його, а потім через нагрітий насадок пропускають тіло, що нагрі­вається, охолоджуючи насадок.

Такі цикли нагрівання — охолодження насадка повторюються періодично. Застосовують у металургійних печах (домнах, мартенах), скловарних печах та інших аналогічних печах, куди треба подавати гаряче повітря.

У струминних (змішувальних) апаратах теплопередача здійсню­ється безпосереднім дотиканням і перемішуванням грійного й того, що нагрівається, теплоносіїв. Апарати такого типу застосовуються для нагрівання або охолодження води в потоці повітря або газу. До теплообмінних апаратів змі­шувального типу належать скрубери, баштові охолодники (градирні), деаератори тощо.

О собливість теплообмінників з внутрішнім тепловиділенням по­лягає в тому, що вони мають не два, як звичайно, а тільки один тепло­носій, який забирає тепло, утворене в самому апараті. До апаратів цього типу належать ядерні реактори, електронагрівники та інші установки, в яких робочий процес пов'язаний з виділенням тепла.

Мал... Схеми теплообмінників : 1 – одноходового; 2 і 3 – двоходового; 4 – триходового.

На практиці найбільш поширені поверхневі (рекуперативні) тепло­обмінні апарати(мал., а—зверху), які за характером руху теплоносіїв бувають з паралельною течією (прямоточні), протитечійні і з перехресною течією.

В прямоточних апаратах теплоносії, як грійний, так і той, що нагрівається, рухаються вздовж обох боків роздільної стінки в од­ному напрямі; в протитечійних теплообмінниках теплоносії рухаються один одному назустріч (мал.,б—зверху), а в теплообмінниках з перехресною течією теплоносії рухаються під кутом один до другого (мал,б).

Питання для самоперевірки

1. Що таке теплопередача?

2. Як визначити коефіцієнт теплопередачі і термічний опір теплопередачі?

3. Які є методи інтенсифікації теплопередачі?

4. Як класифікують теплообмінні апарати і в чому полягає принцип їх дії?