1.2.3. Критический диаметр тепловой изоляции
Назначение
тепловой изоляции - уменьшать потери
теплоты в окру-жающую среду. Рассмотрим
трубопровод, по которому течет жидкость
с температурой
=
а снаружи трубы находится жидкость с
температурой
=
Причем
>
.
Коэффициенты теплоотдачи
и
заданы.
Для
уменьшения тепловых потерь нанесем
слой тепловой изоляции на внешнюю
поверхность трубы (рис.1.8). Необходимо
выяснить, как влияет толщина (диаметр)
тепловой изоляции на величину тепловых
потерь
.
Рис.1.8.К понятию критического диаметра тепловой изоляции
Плотность теплового потока, передаваемая в процессе теплопередачи через двухслойную цилиндрическую стенку, определяется по формуле (1.38)
(1.39)
где
- полное термическое сопротивление
двухслойной цилиндрической стенки;
Обозначим слагаемые,
стоящие в правой части выражения для
через
,
,
Тогда
=
+
Величины
и
не зависят от толщины изоляции (
),
а
и
- зависят, причем при увеличении
величина
увеличивается, а
- уменьшается.
Полное
термическое сопротивление
,
определяемое характером изменения
составляющих
и
,
имеет минимум. Значение диаметра
изоляции, соответствующее минимальному
термическому сопротивлению теплопередачи,
называется критическим диаметром
изоляции и обозначается
.
Для определения его значения возьмем
производную от
по
и приравняем ее нулю:
Отсюда
(1.40)
Следовательно,
при
>
с увеличением толщины изоляции
уменьшается, а
согласно (1.39) возрастает. При
=
величина
будет минимальной, а линейная плотность
теплового потока
- макси-мальной. И только при
<
тепловые потери будут уменьшаться.
Поэтому, выбрав какой-либо теплоизоляционный материал для покрытия цилиндрической поверхности, прежде всего нужно рассчитать критический диаметр тепловой изоляции по формуле (1.40). Если окажется, что > , то применение выбранного теплоизоляционного материала в качестве тепловой изоляции нецелесообразно.
1.2.4. Способы интенсификации теплопередачи
Из формулы (1.35)
следует, что
Интенсифицировать процесс теплопередачи
можно за счет увеличения коэффициента
теплопередачи
,
разности температур жидкостей
или поверхности
теплообмена
.
Коэффициент теплопередачи, например,
для плоской стенки определяется
выражением
Выясним, на какой
из слагаемых нужно влиять, чтобы
увеличить
.
Значение
обычно очень мало, поэтому
.
Если принять, что
<<
,
то величина
.
При
величина
.
Поэтому увеличение большего коэффициента
теплоотдачи практи-чески не влияет на
повышение
.
Наиболее целесообразно изменять
ве-личину меньшего коэффициента
теплоотдачи, что приведет к увеличению
.
Для выравнивания термических сопротивлений теплоотдачи с обеих сторон стенки, когда одна поверхность стенки омывается жидкостью с большим коэффициентом теплоотдачи, а другая поверхность омывается газом с малым коэффициентом теплоотдачи, создающим большое терми-ческое сопротивление, на практике применяют ребристые поверхности.
Оребрение стенки с большим термическим сопротивлением позволяет увеличить ее поверхность соприкосновения с горячим (или холодным) теплоносителем, уменьшить общее тепловое сопротивление теплопередачи и увеличить тепловой поток.