6-4. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

При решении практических задач теплопередачи в одних случаях требуется интенсифицировать процесс, в других, наоборот, всячески тормозить. Возможности осуществления этих требований вытекают из закономерностей протекания основных способов передачи теплоты, рассмотренных в предыдущих главах.

Термическое сопротивление стенки можно уменьшить путем уменьшения толщины стенки и увеличения коэффициента теплопроводности материала; теплоотдача соприкосновением может быть интенсифицирована путем перемешивания жидкости и увеличения скорости движения; при тепловом излучении — путем повышения степени черноты и температуры излучающей поверхности.

Вопрос о путях интенсификации процесса теплопередачи более сложный; правильное его решение может быть получено лишь на основе тщательного анализа частных условий теплопередачи.

В качестве примера рассмотрим формулу коэффициента теплопередачи для плоской стенки. Если термическим сопротивлением стенки пренебречь, т. е. положить , то формула (6-5) принимает вид:

откуда следует, что коэффициент теплопередачи всегда меньше самого малого из коэффициентов теплоотдачи.

В самом деле, пусть , тогда . Увеличение на величине практически никак не отразится; при .

Значительное изменение можно получить только путем изменения значения меньшего из а, в данном случае . Если, например, , то ; если же положить , то .

Зависимость приведена на рис. 6-12, из которого следует, что при увеличении относительно быстрый рост происходит лишь до тех пор, пока не сравняются между собой. При дальнейшем увеличении рост замедляется и затем практически совсем прекращается. Следовательно, если , то интенсифицировать теплопередачу можно путем увеличения каждого из . Если же , то интенсификация может быть достигнута только путем увеличения меньшего из них, в данном случае .

Рис. 6-12. Зависимость .

В проведенном анализе ради упрощения выкладок термическое сопротивление стенки было принято равным нулю. В ряде случаев это допустимо делать и в технических расчетах, однако всегда надо знать допускаемую при погрешность. Пусть для какого-то конкретного случая . Если учесть термическое сопротивление стенки , то значение коэффициента теплопередачи изменится:

Разделив левую и правую части этого равенства на , получим:

Последняя зависимость в виде кривых представлена на рис. 6-13, где по оси абсцисс отложено значение , по оси ординат , а значение выбрано в качестве параметра. Из рисунка видно, что с возрастанием термического сопротивления стенки значение k снижается тем сильнее, чем больше начальное значение . В качестве иллюстрации этого вывода рассмотрим несколько числовых примеров.

Имеется теплообменник, в котором подогревается вода; со стороны воды . Толщина стальной стенки и ; следовательно,

а) Если обогрев производится газом и , то

и по формуле (6-23)

Рис. 6-13. Зависимость

б) Если обогрев производится паром и , то

и

т.е. .

в) Если обогрев производится конденсирующимся паром, но стальная стенка заменена медной той же толщины, то

и

т.е. .

Такие же результаты получим и по кривым рис. 6-13.

Из этих примеров следует, что при больших значениях термическим сопротивлением стенки пренебрегать нельзя. Поэтому в технических расчетах его влияние должно быть соответствующим образом учтено. Эти выводы применимы для оценки влияния как термического сопротивления самой стенки, так и термического сопротивления отложений сажи и накипи. Так как коэффициенты теплопроводности накипи и в особенности сажи имеют низкие значения, то даже незначительный слой этих отложений создает большое термическое сопротивление. Слой накипи толщиной в 1 мм по термическому сопротивлению эквивалентен 40 мм, а 1 мм сажи — 400 мм стальной стенки. Помимо снижения теплопередачи, осаждение накипи на стенке вредно еще и потому, что при этом повышается температура стенки. В некоторых случаях это обстоятельство может оказаться причиной аварии. Поэтому при эксплуатации теплообменных устройств необходимо предохранение их от всякого рода отложений на поверхности нагрева.

Выявив частные термические сопротивления, легко найти и решение задачи об интенсификации теплопередачи. Если частные термические сопротивления различны, то, чтобы увеличить теплопередачу, достаточно уменьшить наибольшее из них. Если же все частные термические сопротивления одного порядка, то увеличение коэффициента теплопередачи возможно за счет уменьшения любого из сопротивлений. Изменение каждого из них вызывает тем большее изменение теплопередачи, чем больше было первоначальное отношение этого термического сопротивления к остальным. При решении поставленной задачи большое значение имеет правильная компоновка поверхности нагрева. Последняя должна быть такой, чтобы действительные условия теплопередачи соответствовали заданию и чтобы во время эксплуатации они не ухудшались.

Из вышеизложенного очевидно, что выявить узкое место теплопередачи и наметить способы его устранения возможно лишь на основе знания и анализа частных термических сопротивлений. Знание же только коэффициента теплопередачи или общего термического сопротивления в этом отношении ничего не дает. Вот почему при изложении курса мы не ограничились рассмотрением только процессов теплопередачи и рекомендацией значений , а подробным образом рассмотрели частные условия теплообмена.

В самом деле, пусть имеются два совершенно одинаковых теплообменника. В результате их испытания оказалось, что для одного из них значение коэффициента теплопередачи а для другого , причем . Имея только эти данные, невозможно установить причину плохой работы теплообменника. Поэтому все испытания теплообменных устройств должны проводиться таким образом, чтобы, помимо коэффициента теплопередачи к, можно было получить значения всех составляющих его величин и др. Знание этих величин позволяет выявить причину плохой работы теплообменника, наметить пути его реконструкции, обобщить результаты опыта и распространить их на другие устройства, аналогичные испытанному.

Но для того чтобы определить значения , помимо температуры горячей и холодной жидкости необходимо знать еще температуру стенки — поверхности теплообмена.

При испытании уже работающих установок в производственных условиях измерить температуру стенки не всегда возможно или сделать это очень трудно. В таких случаях из опыта определяется только коэффициент теплопередачи , значения же устанавливаются на основе известных уже закономерностей для элементарных явлений теплообмена.