21. Интенсификация процессов 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 АТ зависят только от конструкции системы и физических условий. Термическое сопротивление теплопроводности стенки R = S/Л стремится к нулю, так как у труб теплообменников толщина S мала, а коэффициент теплопроводности Я материалов (металлов) велик.

Следовательно, коэффициент теплопередачи k будет зависеть в ос­новном от коэффициентов теплоотдачи a1 и a2, а именно:K = (a1 a2)/(a1 + a2).Аналитическое исследование предельного значения коэффициента теплопередачи показывает следующие закономерности:

• коэффициент теплопередачи k всегда меньше любого из коэффици­ентов теплоотдачи: k <a1 и k < a2;

• коэффициент теплопередачи k всегда меньше меньшего коэффици­ента теплоотдачи;

• быстрый рост коэффициента теплопередачи k наблюдается при увеличении меньшего из коэффициентов теплоотдачи;

• при увеличении большего из коэффициентов теплоотдачи рост ко­эффициента теплопередачи k вначале замедляется, а затем и вовсе пре­кращается.

На основании этих выводов формулируются правила интенсификации теплопередачи.

1. Если один коэффициент теплоотдачи намного больше или меньше другого: a1 << a2 или a1 >> a2, то интенсифицировать теплопередачу не­обходимо путем увеличения меньшего из коэффициентов теплоотдачи.

2. Если коэффициенты теплоотдачи примерно равны: a1 & a2, 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 ф - отношение площади поверхности системы с ребрами к глад­кой поверхности.

Так, если коэффициент теплоотдачи жидкости a1 = 1000 Вт/(м2-К), ок­ружающей среды a2 = 10 Вт/(м2-К), то оребрение с коэффициентом ф = 25 со стороны меньшего a2 увеличивает к примерно в 20 раз.

5. 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.

Для снижения коэффициента теплопередачи через конструкции необ­ходимо увеличить термическое сопротивление системы, что достигается путем нанесения на стенку слоя тепловой изоляции.