Теплопередача

Теплообмен между горячей и холодной средой через разделительную твёрдую стенку является одним из наиболее важных и часто исполь­зуемых в технике процессов. Например, получение пара заданных параметров в котлоагрегатах основано на процессе передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В многочисленных теплообменных устрой­ствах, применяемых в любой области промышленности, основным рабочим процессом является процесс теплообме­на между теплоносителями. Такой теп­лообмен называют теплопередачей.

Для примера рассмотрим однослой­ную (рис.10) стенку, толщина которой равна δ. Коэффициент теплопроводно­сти материала стенки равен λ. Темпе­ратуры сред, омывающих стенку слева и справа, известны и равны t₁ и t₂. При­мем, что t₁>t₂. Тогда температуры по­верхностей стенки будут соответственно t_ст1> /t_ст2. Требуется определить тепловой поток q, проходящий через стенку от греющей среды к нагреваемой.

Так как рассматриваемый процесс теплопередачи протекает при стационарном режиме, то теплота, отданная стенке первым теплоно­сителем (горячим), передается через нее второму теплоносителю (хо­лодному). Пользуясь формулой (54), можно записать:

(67)

Определим полный температурный напор t₁ – t_{2 .} Для этого из равенств (67) определим сначала местные температурные напоры:

Складывая эти равенства, получим полный температурный напор:

откуда определим - величину теплового потока:

(68)

Знаменатель равенства (68) представляет собой сумму термиче­ских сопротивлений, которая, состоит из термического сопротивления теплопроводности δ/λ и двух термических сопротивлений теплоотдаче l/α₁ и 1/α₂.

Введем обозначение

(69)

Из выражений (68) и (69) получим

(70)

Величину k называют коэффициентом теплопередачи.

Величину, обратную коэффициенту теплопередачи, называют пол­ным термическим сопротивлением теплопередаче:

(71)

Понятие о теплообменных аппаратах

Теплообменным аппаратом называют устройство, предназначенное для нагревания или охлаждения теплоносителя. В качестве теплоно­сителя применяют жидкость или газ. Теплоносители бывают греющие и нагреваемые. Так, например, го­рячий газ в топке котла является греющим теплоносителем, а вода в котле — нагреваемым; вода в ото­пительном радиаторе есть греющий теплоноситель, а воздух, разно­сящий теплоту по помещению,— нагреваемый.

По принципу действия теплооб­менные аппараты могут быть разде­лены на рекуперативные, регенера­тивные, смесительные и с внутрен­ним тепловыделением.

В рекуперативных теплообменных аппаратах теплота от грею­щего теплоносителя к нагреваемому передается через разделительную (обычно металлическую) стенку. К ним относятся: парогенераторы, пароперегреватели, водоподогреватели. воздухоподогреватели и раз­личные выпарные аппараты. Рекуперативные теплообменные аппараты подразделяют на: прямоточные, противоточные, перекрестного тока и смешанного тока.

В прямоточном теплообменном аппарате холодный и горячий теп­лоносители протекают параллельно в одном направлении (рис. 11, а)

В противоточном аппарате теплоносители протекают параллельно, но в противоположных направлениях (11,б).

В настоящее время рекуперативные аппараты имеют наибольшее распространение. Они просты по конструкции, компактны и обеспечи­вают постоянство температур теплоносителей во времени. В основном аппараты выполнены из металла. Причем для теплоносителя, имеющего температуру 400—450° С, трубки изготовляют из углеродистой стали; для теплоносителя, имеющего температуру 500—700° С,— из легиро­ванной. При более высоких температурах теплоносителя для аппара­тов применяют дорогие металлы и сплавы.

В теплотехническом отношении аппараты с противотоком выгоднее аппаратов с прямотоком.

В регенеративных теплообменных аппаратах одна и та же поверх­ность нагрева (или охлаждения) поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем через определенные промежутки времени. Сперва по каналам регенератора пропускают горячий теплоноситель — продукты сгорания доменных и мартеновских печей, вагранок и т. д. Поверхность нагрева регенератора, отбирая теплоту от горячих га­зов, нагревается, а затем отдает эту теплоту холодному теплоносителю.

Регенеративные теплообменники применяют в металлургических, стекловаренных и других аналогичных им печах, куда необходимо по­давать подогретый воздух.

В смесительных теплообменниках теплообмен осуществляется при непосредственном соприкосновении и смешивании горячего и холод­ного теплоносителей.

Смесительными теплообменными аппаратами являются градирни, скрубберы и другие устройства.

Аппараты с внутренним тепловыделением получили такое название потому, что внутри самого аппарата протекает какой-либо технологи­ческий процесс с выделением теплоты. Для того чтобы охладить стенки аппарата, применяют теплоноситель (не два, как обычно, а один), забирающий теплоту от стенок и таким образом охлаждающий их.

К таким аппаратам относятся ядерные реакторы, электронагрева­тели и другие устройства, в которых технологический процесс проте­кает с выделением теплоты и повышением температуры.

Влияние загрязнения стенки на передачу теплоты. Поверхности теплообменных аппаратов обычно загрязняются. Так, например, внешние поверхности труб паровых котлов, пароперегре­вателей, водоподогревателей и т. п. покрываются слоем золы и сажи, образуя дополнительную стенку на пути теплового потока. Коэффи­циент теплопроводности таких отложений очень мал и составляет 0,1—0,2 вт/(м град).

При нагревании воды и пара внутренние поверхности труб с тече­нием времени также загрязняются солями, выпадающими в виде на­кипи. Накипь образует дополнительную стенку с большим термиче­ским сопротивлением. Это ухудшает теплообмен и создает опасность пережога труб.

22