3.3 Теплообменники с оребренными трубами

В технике достаточно часто встречаются процессы теплообмена, в которых коэффициенты теплоотдачи по обе стороны поверхности теплопередачи резко различаются по величине. Так, например, при нагреве воздуха конденсирующимся водяным паром коэффициент теплоотдачи от пара к стенке составляет примерно 10000-15000 Вт/(м²- К) а от стенки к нагреваемому воздуху- 10-50 Вт/(м²- К). В этом случае оребрение труб со стороны воздуха позволяет существенно повы­сить тепловую нагрузку теплообменника за счет увеличения поверх­ности теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффици­ентом теплоотдачи. Этот принцип используют при нагреве или охлаждении сильновязких жидкостей, а также газов.

Очевидно, что материал, из которого изготовляют ребристые трубы, должен иметь большой коэффициент теплопроводности. Для снижения гидравлического сопротивления поверхность ребер должна быть параллельна направлению потока теплоносителя. Их форма может быть различной. Наиболее часто используют ребра прямоугольного (рис. 10, а)и трапециевидного (рис. 10, б) се­чения.

Конструкции оребренных теплообменников весьма разнообраз­ны (рис. 11), причем разработаны конструкции как с оребренны- ми трубами, так и с плоскими поверхностями теплообмена (рис. 11, г).На рис. 12 представлен широко распространенный тепло­обменник для нагрева воздуха-калорифер.[1]

Рис. 11. Элементы теплообменников с оребрениями:

а поперечное оребрение; б продольное «плавниковое» оребрение. в-продольное оребрение; г-оребрение гофрированием плоских поверхностей теплообмена

4. Теплопроводность

Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц. В результате теплопроводности температура тела выравнивается.

Поверхность тела, все точки которой имеют одинаковую температуру, называется изотермической поверхностью.

Температуры внутри тела (среды) изменяются в направлении от одной изотермической поверхности к другой. Наибольшее изменение температуры

происходит по нормали к изотермическим поверхностям. Предел отношения изменения температуры ∆t к расстоянию между изотермическими повеверхностями по нормали ∆l называется температурным градиентом.

gradt = lim(∆t /∆l) ∆l→0= dt / dl.

Основной закон теплопроводности, установленный Фурье и названный его именем, гласит, что количество теплоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры ∆t / ∆l, времени dτ и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока:

dQ = -λ(dt/dl)Fdτ,

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(мград).

Коэффициент теплопроводности веществ зависит от их природы и агрегатного состояния, температуры и давления. Коэффициент теплопроводности газов возрастает с повышением температуры и почти не зависит от давления. Для жидкостей, за исключением воды и глицерина, наоборот, λ уменьшается с повышением температуры. Для большинства твердых тел λ увеличивается с повышением температуры.