8) ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

Если А=1 (R и D =0), тогда тело полностью поглощает все падающие на него лучи, тело абсолютно черное.

Если R=1(D и A =0), полное отражение лучей, тело абсолютно белое. Если D=1 (R и A =0), тело абсолютно прозрачное.

При D =0, R+A =1 – серые тела.

Полное количество энергии, излучаемое в единицу времени через единицу поверхности, называется излучательной способностью Е:

Для абсолютно черного тела по закону Стефана-Больцмана:

Eo Co (100T ) 4

Здесь Co - коэффициент излучения абсолютно черного тела. Для серых тел закон Стефана-Больцмана примет вид:

серого тела.

Радиационно-конвективная теплоотдача

Наиболее характерный пример этого вида теплоотдачи – перенос теплоты QП от стенки в окружающую среду (то есть потери теплоты). Для этого случая:

а тепловым излучением:

здесь αТ – коэффициент теплоотдачи стенки, ТСТ – температура стенки, F - площадь теплоотдачи, t – время, С1-2 – коэффициент взаимного излучения двух тел (стена – воздух).

Умножив и разделив правую часть уравнения (1.79) на (ТСТ – ТВ) получим:

Qu u (TCT TВ ) F t ,

31

Имея в виду соотношение (1.75) получим:

теплоотдаче αТ>αu .

1.8. Оптимизация и интенсификация теплообмена

Оптимизацию любого процесса начинают с выбора критерия оптимальности. В качестве наиболее общего критерия оптимальности можно использовать денежные затраты на проведение процесса теплообмена.

Затем выявляются параметры оптимизации – величины, которые независимо друг от друга влияют на критерий оптимальности. Далее данный критерий необходимо минимизировать, то есть добиваться при проведении процесса теплообмена наименьших затрат.

Рассмотрим интенсификацию теплообмена. Обычно тепловая нагрузка

теплообменного аппарата Q бывает фиксирована. Она либо задана, либо находится из уравнения теплового баланса. Задача сводится к определению минимальной межфазной поверхности для проведения данного процесса теплообмена:

Уменьшение поверхности теплообмена можно достичь согласно формуле (4.79), увеличивая коэффициент теплопередачи или среднюю движущую силу процесса. Увеличить можно, используя теплоносители с большой разницей начальных температур, достаточно высоким расходом и удельными теплоемкостями при противотоке.

Для увеличения коэффициента теплопередачи необходимо увеличить коэффициенты теплоотдачи α1 , α2 и уменьшить термическое сопротивление стенки, разделяющей теплоносители. На коэффициент теплоотдачи влияют следующие факторы:

1.Характер движения теплоносителя и его скорость. При турбулентном режиме с увеличением скорости теплоносителя толщина теплового пограничного слоя уменьшается и α увеличивается.

2.Физические свойства теплоносителя ( µ, λ, ср , ρ ). Коэффициент теплоотдачи α растет с уменьшением µ и увеличением λ, ρ, ср .

3.Размеры и формы поверхности теплообмена.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи определяется гидродинамическими, физическими и геометрическими факторами.

32

Для увеличения α используются активные и пассивные методы.

Активные методы – механическое воздействие на теплообменную поверхность (вращение или вибрация поверхностей, перемешивание теплоносителя и т.д.), пульсация давления, вдув и отсос пограничного слоя.

Пассивные методы, в основе которых лежит воздействие на поток теплоносителя формой поверхности теплообмена. Используются винтовые, локальные, пластинчатые закручиватели потока, различные оребрения поверхности теплообмена. Во всех этих случаях происходит турбулентное разрушение пристенных слоев жидкости.

Однако, эти методы приводят к увеличению гидравлического сопротивления, одновременно увеличивается как коэффициент теплоотдачи α, так и гидравлическое сопротивление .

Если левая часть уравнения больше единицы, то использование предложенного метода интенсификации экономически оправдано.

Для интенсификации теплообмена можно использовать пленочное течение теплоносителя.

33