4.5. Теплопередача

4.5.1. Теплопередача между двумя теплоносителями через разделяющую их стенку

Передача теплоты от одной подвижной среды (жидкости или газа) к другой через разделяющую их твердую стенку любой формы называется теплопередачей.

Расчетная формула теплопередачи для стационарного режима имеет следующий вид:

Q=кH(t_ж1t_ж2). (4.104)

Для однослойной плоской стенки коэффициент теплопередачи определяется следующим образом:

. (4.105)

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением теплопередачи:

. (4.106)

Для многослойной плоской стенки коэффициент теплопередачи для стационарного теплового режима следующий:

, (4.107)

где — термическое сопротивление многослойной стенки.

Для многослойной цилиндрической стенки линейный коэффициент теплопередачи определяется:

. (4.108)

Величина к_lназывается линейным коэффициентом теплопередачи, который численно равен количеству теплоты, проходящей через стенку трубы длиной в 1 м в единицу времени при разности температур между горячей и холодной средами в 1˚С.

4.5.2. Оптимизация (регулирование) процесса теплопередачи

В технике встречаются два вида задач, связанных с регулированием процесса теплопередачи. Один вид задач связан с необходимостью уменьшения количества передаваемой теплоты (тепловых потерь), т. е. с необходимостью введения в конструкцию устройств, агрегатов ДВС тепловой изоляции. Другой вид задач связан с необходимостью увеличения количества передаваемой теплоты, т. е. с интенсификацией теплопередачи в агрегатах ДВС. Из уравнения (4.104) следует, что количество передаваемой теплоты (при t_ж1=idemиt_ж2=idem) зависит от значения (кН).

При изоляции поверхностей любой геометрической формы задача в заключительной части решается технико-экономическим расчетом. Однако при изоляции криволинейных поверхностей имеются некоторые технические особенности. Термическое сопротивление, отнесенное к 1 м длины трубы, определяется из уравнения

(4.109)

При ₁=idem;d₁=idem;=cоnst;₂=idemполное термическое сопротивление теплопередачи будет зависеть от внешнего диаметра трубыd₂. Из выражения дляR_l(4.109) следует, что=idem; тепловое сопротивление увеличивается с возрастаниемd₂; тепловое сопротивлениеуменьшается с увеличениемd₂. Полное термическое сопротивлениеR_lзависит от характера изменения составляющихR_lcиR_l2.

Чтобы выяснить, как будет изменяться R_lпри изменении толщины цилиндрической стенки, исследуемR_lкак функциюd₂. Возьмем производную отR_lпоd₂и приравняем нулю:

(4.110)

отсюда d₂=d_кр=2/₂,

где d_кр— критический диаметр, м.

Значение внешнего диаметра трубы, соответствующего минимальному полному термическому сопротивлению теплопередачи, называется критическим диаметром.

В интервале d₂d_крполное термическое сопротивление теплопередачи падает с увеличениемd₂; это объясняется тем, что увеличение наружной поверхности трубы оказывает на термическое сопротивление большее влияние, чем увеличение толщины стенки.

В интервале d₂d_крполное термическое сопротивление теплопередачи увеличивается с ростомd₂из-за преобладающего влияния наR_lтолщины стенки. Эту особенность изоляции криволинейных поверхностей различных агрегатов ДВС необходимо учитывать при выборе вида тепловой изоляции.

При наложении слоя тепловой изоляции на цилиндрическую поверхность полное термическое сопротивление теплопередачи определяется из выражения (4.109).

Удельные тепловые потери получим:

(а)

Из выражения (а) следует, что q_lпри увеличении внешнего диаметра изоляцииd₃сначала будет возрастать и приd₃=d_крбудет иметь максимальное значение. При дальнейшем увеличении внешнего диаметра изоляцииq_lбудет снижаться.

Материал изоляции выбирается следующим образом: по заданным значениям ₂и_изопределяютd_криз выражения (4.110). Если окажется, чтоd₃d_кр, то применение выбранного материала в качестве тепловой изоляции нецелесообразно. Для целесообразного выбора изоляции необходимо соблюдение условия, а. Из приведенного неравенства следует, что чем меньше диаметр изолируемого трубопровода, тем меньше должен быть коэффициент теплопроводности изоляционного материала —_из, т. е. качество изоляции должно быть выше. Аналогично решается задача при изоляции сферических поверхностей.

При интенсификации теплопередачи в соответствии с основным уравнением теплопередачи (4.104) необходимо по возможности увеличить кН, но изменять по желанию температуру сред (t_ж1,t_ж2) зачастую не позволяют условия технологического процесса, неэкономичность и другие причины.

Повысить значение кН можно путем увеличения коэффициента теплопередачи, расчетной площади поверхности теплопередачи в отдельности и одновременно.

Для чистой однослойной стенки выражение коэффициента теплопередачи из выражения (4.105) имеет вид

. (б)

Термическое сопротивление теплопроводности металлической стенки мало lim(δ/λ)0, и им можно пренебречь, тогда

(в)

Из этого уравнения следует, что если ₂₁, то к₁иесли₁₂, то к₂, т. е. коэффициент теплопередачи всегда меньше минимального значения коэффициента теплоотдачи.

В соответствии с уравнением (в) и выводом для увеличения коэффициента теплопередачи необходимо повышать минимальный коэффициент теплоотдачи. Если ₁₂, то «к» можно увеличить за счет увеличения любого.

Для указанной однослойной металлической стенки

, (г)

и соответственно запишется выражение общего термического сопротивления теплопередачи:

(д)

Естественно, чем меньше общее термическое сопротивление, тем больше значение «кН», интенсивнее процесс теплопередачи.

Значение термических сопротивлений изависит не только от величин₁и₂, но и от размеров площадей поверхностей Н₁и Н₂. Следовательно, еслимало, то термическое сопротивление теплоотдачи можно уменьшить, увеличивая соответствующую площадь поверхности. Таким образом, для уменьшения общего термического сопротивления необходимо уменьшать наибольшее термическое сопротивление, т. е. увеличивать ту площадь поверхности, со стороны которойменьше. Увеличение площади поверхности теплоотдачи достигается путем ее оребрения.