ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Робота рекуперативного трубчастого оребреного теплообмінника є прикладом втілення методів інтенсифікації процесів теплопередачі у теплообмінній апаратурі.

Як відомо, теплопередача – процес переносу теплоти від гарячого теплоносія до холодного через поверхню розділяючої стінки. Інтенсивність процесу характеризується коефіцієнтом теплопередачі, який показує яку кількість теплоти можна передати за одиницю часу, через одиницю поверхні розділяючої стінки, коли різниця температур між теплоносіями дорівнює одному градусу. Рівняння теплопередачі можна записати наступним чином:

, (1)

де Q – тепловий потік, Вт;

k – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2×К);

F – поверхня теплообміну, м2;

t1, t2 – відповідно, середні температури гарячого і холодного теплоносіїв, °С, або:

, (2)

де q - густину теплового потоку, Вт/м2.

Коефіцієнт теплопередачі (k) характеризує ефективність процесів трансформації теплоти.

Одним з методів інтенсифікації теплопередачі є оребрення поверхні розділяючої стінки. Фізична сутність оребрення пов’язана з поняттям повного і питомого опору теплопередачі. Використаємо аналогію між процесами електропровідності та теплопровідності. Згідно закону Ома для замкненої електричної мережі маємо, що падіння напруги дорівнює добутку сили струму ( ) на омічний опір ( ):

(3)

За аналогією:

. (4)

Тоді повний термічний опір теплопередачі дорівнює [К/Вт]:

. (5)

Питомий термічний опір знайдеться за формулою, яка аналогічна залежності (5), але замість теплового потоку (Q) будемо використовувати густину теплового потоку (q), [К×м2/Вт]:

, (6)

Співвідношення між повним та питомим термічними опорами матиме вигляд:

. (7)

Для плоскої стінки питомий опір теплопередачі складає [1-3]:

, (8)

а повний опір теплопередачі, відповідно (7), дорівнює:

, (9)

де - коефіцієнт тепловіддачі від гарячого теплоносія до стінки, Вт/К×м2;

- коефіцієнт тепловіддачі від стінки до холодного теплоносія, Вт/К×м2;

- товщина стінки, м;

- коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки, Вт/К×м;

- повний термічний опір тепловіддачі від гарячого теплоносія до плоскої стінки, К/Вт;

- повний термічний опір теплопровідності плоскої стінки, К/Вт;

- повний термічний опір тепловіддачі від плоскої стінки до холодного теплоносія, К/Вт.

Для збільшення кількості теплоти, що передається від гарячого теплоносія до холодного, треба змінити повний термічний опір теплопередачі. Якщо не брати до уваги, то зменшення величини буде залежати від зменшення , та . У тих випадках, коли >> , щоб зменшити навмисно збільшують поверхню розділяючої стінки з боку низької інтенсивності тепловіддачі (з боку меншого ). Тоді зменшується термічний опір тепловіддачі і тим самим зменшується загальний термічний опір ( ) та збільшується тепловий потік, який передається через стінку.



На рис. 1 зображено плоску стінку товщиною , коефіцієнтом теплопровідності , з ребрами, які збільшують поверхню стінки з боку, де << . Задані середні температури теплоносіїв t1 і t2, та і ; відомі, також, поверхні теплообміну гладкої стінки F і з ребрами FР.С..

Визначимо тепловий потік через стінку, вважаючи, що температурне поле рівномірне, температура поверхні з боку ребер стала і не змінюється вздовж ребра , на протилежній поверхні стінки температура .

Залежність для знаходження теплового потоку через оребрену плоску стінку має вигляд:

. (10)

Рис. 1 Теплопередача через оребрену плоску стінку

Введемо величину , яку будемо називати коефіцієнтом оребрення. Очевидно, що >1 і величина поверхні ребристої стінки дорівнює .

Розглядаючи знаменник формули (10) як сумарний повний термічний опір теплопередачі, зауважимо, що він буде тим менше, чим менше повний термічний опір тепловіддачі від оребреної стінки до холодного теплоносія . А значення останнього зменшується із збільшенням коефіцієнта оребрення . Очевидно що, при цьому тепловий потік через оребрену стінку зростатиме.

Щоб порівняти кількість теплоти, яка передається через плоску стінку і оребрену плоску стінку, знайдемо густину теплового потоку, віднесену до гладкої поверхні F.

. (11)

Оскільки >1, то питомий термічний опір оребреної стінки зменшується, що обумовлює зростання теплового потоку. Очевидно, що такий ефект може бути при оребренні стінки іншої геометричної форми. Так, на лабораторному стенді ребрами покривається зовнішня поверхня труб, які омиваються повітрям. Це призводить до збільшення коефіцієнта ефективності теплообмінного апарата.

Зауважимо, що оскільки труби регенеративного теплообмінника системи повітряного опалення тонкі , то формули для коефіцієнта теплопередачі і повного термічного опору циліндричної стінки [1, 3, 6] можна з достатньою для технічних розрахунків точністю замінити на залежності для плоскої стінки.




5278757484828156.html
5278834797190732.html
    PR.RU™