1.7 Сложный теплообмен

Сложный теплообмен включает теплопроводность, конвекция и тепловое излучение

В теплотехнических расчетах при сложном теплообмене, как правило, пользуются суммарным коэффициентом теплоотдачи . Указанный коэффициент представляет собой сумму коэффициентов конвективной теплоотдачи и лучистой теплоотдачи ;

(1.28)

В этом случае расчетная формула для теплообмена имеет вид

(1.29)

При обмывании стенки капельной жидкостью указанный коэффициент будет равен и

Сложный теплообмен включает все виды теплообмена Теплопередача от одной жидкости (или газа) к другой через стенку и представляет суммарный процесс теплообмена, в котором теплоотдача контактом является необходимой составной частью.

Теплопередача зависят от формы стенки, разделяющей теплоносители.

Рис.6.

Рассмотрим теплопередачу через плоскую однослойную стенку рис. 6. Примем, что тепловой поток направлен слева направо, температура нагретой среды t_ж.1, температура холодной среды t_ж.2. Температуры поверхностей стенки неизвестны, обозначим их буквами .

Передача тепла в данном случае представляет собой процесс сложного теплообмена и состоит из теплоотдачи от нагретой среды, теплопроводность через стенку и теплоотдача от стенки к холодной среде. При этом видно, что удельные тепловые потоки при трех видах одни и те же.

В этом случае уравнения теплового потока будут иметь вид:

Уравнение теплоотдачи от нагретой среды к поверхности стенки

. (1.30)

Уравнение теплопроводности через стенку

(1.31)

Уравнение теплоотдачи к холодной среде

. (1.32)

Сложив эти уравнения, получим полный температурный напор:

, (1.33)

откуда удельный тепловой поток

(1.34)

Величина называется коэффициентом теплопередачи и представляет собой мощность теплового потока, проходящего от более нагретой среды к менее нагретой через 1м² поверхности стенки при разнице температур между средами 1 .

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередаче и обозначается R.

В этом случае имеем:

(1.35)

В том случае если стенка многослойная, т.е. состоит из нескольких слоев - n с различной толщиной, а коэффициенты теплопроводности соответственно , то будем иметь

, (1.36)

где , или

Количество тепла, переходящего через площадь F стенки за 1 час, будет равно:

(1.37)

Для расчета теплового потока при теплопередаче через многослойную цилиндрическую стенку можно воспользоваться выражением:

(1.38)

1.8 Теплообменные аппараты

Теплообменными аппаратами называются техническими устройства, назначение которых передача тепла от одного рабочего тела (теплоносителя) к другому. В качестве рабочего тела (теплоносителей) в них используют водяной пар, горячую воду, дымовые газы и другие тела.

По принципу действия и конструкции теплообменники разделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативные теплообменники передают тепло от нагретого теплоносителя к нагреваемой среде через разделяющую их стенку.

В зависимости от направления движения теплоносителей теплообменники указанного вида подразделяют - противоточные, прямоточные и перекрестные. Если теплоносители движутся в противоположном направлении, теплообменники называются противоточными; при движении теплоносителей в одном направлении – прямоточными, если теплоносители движутся в перекрестном направлении – перекрестными (рис.7).

В регенеративных теплообменниках поверхность нагрева представляет собой специальную насадку из профилированных колец, или других конструкций увеличивающих площадь контакта, которая сначала аккумулирует тепло, а затем отдает его нагреваемому теплоносителю.

В смесительных теплообменниках процесс теплообмена проходит при прямом контакте (соприкосновении и перемешивании) теплоносителей.

Рекуперативные и регенеративные теплообменники являются поверхностным теплообменным аппаратам, а смесительные к контактным.

Рис.7.

В зависимости от вида течения в теплообменнике (прямоток или противоток) расходов греющей и нагреваемой жидкости имеем четыре процесса теплообмена вдоль поверхности теплопередачи (рис. 8).

Рис.8.

Ниже рассматриваются основы расчета лишь рекуперативных теплообменников, как наиболее распространенных.

При конструктивном расчете теплообменника рабочая поверхность его определяется из уравнения теплопередачи

(1.39),

где Q – мощность теплового потока, заданная потребителем тепла;

- коэффициент теплопередачи;

- средний температурный напор по всей поверхности нагрева.

Значение коэффициента теплопередачи для цилиндрической поверхности определяются из выражения:

, (1.40)

где - внутренний и наружный диаметр трубки через стенки которой идет теплообмен.

Величина среднего температурного напора определяется по формуле

(1.41),

где и - максимальная и минимальная разности температур

Для прямотока

(1.42);

Для противотока

(1.43).

Выше приведенные формулы (1.41) и (1.42) позволяют оценить температурные напоры в теплообменниках с противоточной и прямоточной схемой движения теплоносителей. При прочих одинаковых параметрах теплоносителей на входе и выходе в теплообменник в противоточном теплообменнике средний температурный напор получается наибольшим, а в прямоточном – наименьшим. Вследствие большой величины среднего температурного напора поверхность нагрева при противоточной схеме движения теплоносителей и прочих равных условиях будет наименьшей.

Расчет теплообменника производится по его тепловому балансу:

, (1.44)

где - мощность теплового потока, переданного от греющего теплоносителя к нагреваемой среде;

и - расходы теплоносителей;

и - средние теплоемкости.