4.4 Інтенсифікація процесів теплопередачі

На практиці часто виникає проблема збільшення теплового потоку через поверхні різних форм. Шляхи інтенсифікації теплового потоку випливають із рівняння теплопередачі . З цього рівняння випливає, що при заданих розмірах поверхні теплообміну і температури теплоносіїв тепловий потік залежить від коефіцієнта теплопередачі . Внаслідок того що теплопередача являє собою складне явище, інтенсифікація теплопередачі зв’язана з аналізом складових, які впливають на цей процес. В тому випадку, коли теплопередача здійснюється через плоску стінку. Коефіцієнт теплопередачі можна збільшити, зменшивши товщину стінки, підбором матеріалу з більшим коефіцієнтом теплопровідності і збільшивши коефіцієнти тепловіддачі. Якщо термічний опір системи малий , то згідно рівняння . Коефіцієнт теплопередачі залежить тільки від коефіцієнтів тепловіддачі і .

З цього виразу випливає, що коефіцієнт теплопередачі завжди менший за найменший коефіцієнт тепловіддачі. Для збільшення необхідно збільшувати найменший коефіцієнт тепловіддачі або . Якщо , то збільшення коефіцієнта теплопередачі може бути досягнуте за рахунок збільшення обох із . При великих значеннях і коефіцієнт теплопередачі в значній мірі залежить від коефіцієнта теплопровідності стінки.

При передачі теплоти через циліндричну стінку термічні опори і залежать не лише від коефіцієнтів тепловіддачі і , але і від розмірів поверхні. Якщо мале, то термічний опір можна зменшити шляхом збільшення відповідної поверхні. Такий же результат можна отримати і для плоскої стінки, якщо одну її поверхню збільшити, нанісши на неї ребра. При цьому ребра наносять зі сторони теплоносія з меншим коефіцієнтом тепловіддачі.

4.5 Теплова ізоляція

На практиці часто виникає необхідність зменшення інтенсивності теплопередачі. Для цієї мети використовують теплову ізоляцію – шляхом нанесення ізоляційного матеріалу на поверхню металу. При нанесенні теплоізоляційного матеріалу на плоску поверхню, як це випливає із рівняння термічний опір теплопередачі завжди буде зростати. Інша ситуація може мати місце при нанесенні ізоляції на криволінійну поверхню.

Розглянемо умову, при якій матеріал, який використовується для ізоляції труби відповідає своєму призначенню, тобто зменшує тепловий потік. Для однорідної металевої труби, покритої шаром ізоляції маємо вираз для термічного опору .

П ри сталих значеннях , , , , , величина буде залежати лише від зовнішнього його діаметра ізоляції , внаслідок того, що термічні опори і постійні. При збільшенні зростає термічний опір теплопровідності ізоляції , а термічний опір тепловіддачі зменшується. Очевидно, що повний термічний опір буде залежати від характеру зміни опорів і .

Критичний діаметр ізоляції складе

Із останнього рівняння випливає, що критичний діаметр ізоляції не залежить від довжини трубопроводу. Критичному діаметру ізоляції відповідає мінімальний термічний опір і максимальний тепловий потік.

Аналіз рівняння показує, що якщо зовнішній діаметр ізоляції зростає, при умові , то теплові втрати зростають і будуть більшими теплових втрат оголеного трубопроводу (крива АК). Якщо теплові втрати максимальні (точка К). При подальшому зростанні зовнішнього діаметра ізоляції теплові втрати будуть меншими ніж при (крива ВК). Лише при певному діаметрі ізоляції теплові втрати знову стануть такими ж як для неізольованого трубопроводу.

З відси випливає, що для ефективної роботи ізоляції необхідно, щоб критичний діаметр був меншим зовнішнього діаметра голого трубопровода, тобто або ; .

Таким чином, для того щоб ізоляція зменшувала теплові втрати циліндричної стінки у порівнянні з оголеним трубопроводом при заданому зовнішньому діаметрі труби необхідно, щоб коефіцієнт теплопровідності ізоляції задовольняв умови рівняння.