5.5. Сложный теплообмен при теплоотдаче между газовой средой и твердой стенкой.
Очень распространенным случаем сложного теплообмена является теплоотдача между объемом газа и твердой поверхностью. При этом имеет место два вида переноса тепловой энергии:
конвективный теплообмен (теплоотдача) между поверхностью и омывающим ее газом;
теплообмен излучением между газовым объемом и твердой стенкой.
В целом суммарный тепловой поток при таком сложном теплообмене складывается из двух тепловых потоков: конвективного теплового потока при теплоотдаче - qк и конвективного теплового потока при излучении - qл. Соответственно суммарный тепловой поток равен q=qk+qл.
Т.к. известно, что конвективный теплообмен и излучение действуют независимо друг от друга, то величины qк и qл рассчитываются отдельно по соответствующим уравнениям, а затем складываются.
Существует и другая, упрощенная методика расчета данного сложного теплообмена.
Для облегчения в практических расчетах вводится условное понятие - коэффициент теплоотдачи излучением от газов к стенке, который принимается равным:
,
Вт/м2
К
Этот коэффициент по размерности и физическому смыслу соответствует коэффициенту теплоотдачи конвекцией - к.
В общем случае при теплообмене между газом и стенкой перенос тепла осуществляется и конвекцией и тепловым излучением, а полный тепловой поток определяется как сумма соответствующих потоков
q=qk+qл
где qк и qл определяются по соответствующим формулам конвективного теплообмена и теплообмена излучением между газом и стенкой.
В случае если qк>qл, то с достаточной точностью можно вычислить тепловой поток при излучении по формуле
.
Т.к. тепловой поток при конвективном теплообмене равен
,
то
,
.
5.5. Методы интенсификации процессов теплопередачи.
Тепловой поток в процессах теплопередачи может быть увеличен только за счет увеличения величины К, что достигается уменьшением суммы термических сопротивлений на всех этапах теплопередачи
Т.к.
величина R
всегда очень мала, то следует уменьшать
величины
и
,
а из них, в первую очередь, ту которая
больше. В случае теплопередачи в системе
"газ-жидкость" термическое
сопротивление при теплоотдачи от газа
к стенке на 2 порядка выше чем от стенки
к жидкости, из чего следует, что все
методы интенсификации теплопередачи
сводятся к уменьшению термического
сопротивления при теплоотдачи от газа
к стенке.
Последнее достигается следующими методами:
искусственная турбулизация потока в пристенной зоне путем создания на поверхности периодических микровыступов и впадин (наката поперечных канавок на трубах и др.);
закрутка потоков внутри труб с помощью вставки в них специальных спиралей и турбулизаторов потока;
увеличение поверхности теплообмена со стороны газа путем установки на ней искусственных выступов (ребер) из того же материала.
"Оребрение" плоских стенок и труб является наиболее распространенным методоминтенсификации теплообмена со стороны газа.
Рассмотрим эффективность теплопередачи через оребренную стенку (Рис. 20).
Суммарный тепловой поток от t1 до t2
В
этом случае Q
отнесен к внутренней гладкой поверхности
стенки F1,
м2.
Решая систему уравнений получим
,
откуда
,
где
- называется коэффициент оребрения
данной стенки;
F2 - площадь наружной поверхности стенки, включая площадь ребер, м2.
Величина коэффициента теплопередачи ребристой поверхности будет равна
.
Вт/м2
К
Удельный тепловой поток отнесенный к гладкой поверхности стенке будет равен
.
Вт/м2
Увеличение интенсивности теплового потока при теплопередаче для ребристой поверхности по сравнению с гладкой равно
Полученные уравнения соблюдаются при условии, что тепловое сопротивление при теплопроводности в ребрах значительно меньше сопротивления теплоотдаче на поверхности ребра, т.е.
Анализ показывает, что выполнение этого условия требует увеличения р, и уменьшения lр. Для этого ребрам придают коническое сечение
Аналогично решается задача для трубы с наружным оребрением
,
Вт/м
где
,
Вт/м К
где
-
коэффициент оребрения,
F1 - внутренняя поверхность трубы, м2;
F2 - суммарная наружная оребренная поверхность трубы, м2.