Теплообмен излучением между двумя поверхностями.

При теплообмене излучением между двумя параллельными пластинами (рис.15.5) принято D = 0; A + R = 1;

;            (15.13)

,           (15.14)

где А – площадь поверхности пластин.

Подставляя (15.14) в (15.13), после преобразования получим

, аналогично

Рис. 15.5          ,

С учетом и

;

;

                     (15.15)

    где  -приведенный коэффициент излучения;

.

Лучистый теплообмен между телами, образующими замкнутую

Систему тел

В замкнутой системе (рис.16.6)

,   (15.16)

где  - приведенная степень черноты замк-нутой системы тел,

Рис.16.6

;

j₁₂ - отношение лучистого потока Q_12, падающего на тело 2, к полному потоку Q₁, излучаемому телом 1; ;

;     - взаимная поверхность замкнутой системы тел.

Излучающее тело в замкнутом пространстве

В замкнутом пространстве (рис.16.7)

,     (15.17)

где ,

Рис. 15.7     А₁, А₂ – поверхности излучения тела 1 и тела 2.

Тепловые экраны.

Для уменьшения лучистого теплообмена между телами устанавливают экраны (рис.15.8)

Принимаем

Т₁ > Т₂; .

При стационарном тепловом состоянии

.

;                       (15.18)

Рис. 15.8

;                                  (15.19)

Рис. 16.8

    ;

.

Подставляем выражение  в уравнение (15.18):

;

;                      (15.20)

Установка одного экрана уменьшает Q₁₂ в 2 раза, двух экранов – в 3 раза, n экранов - в (n+1) раз.

Теплопередача

Теплопередача через плоскую стенку

При стационарном процессе передачи теплоты через плоскую стенку (рис.16.1)

; ;

.

Отсюда температурные напоры:

; ;

.

    Рис. 16.1

Складывая левые и правые части этих выражений, получим

      и

,                   (16.1)

где k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К), .

 - термическое сопротивление, м²К/Вт.

Для многослойной плоской стенки . (16.2)

Теплопередача через цилиндрическую стенку

При передаче теплоты через цилиндрическую стенку (рис.16.2)

; ;

.

Температурные напоры

;

;

.

Рис.16.2

После сложения левых и правых частей выражений

.

 

,                       (16.3)

где .

R - общее термическое сопротивление, .

Для многослойной цилиндрической стенки

, Вт/(м²К).        (16.4)

Теплопередача через шаровую стенку

Тепловой поток, проходящий через шаровую стенку (рис. 16.3), вычисляется по выражению

; (16.5)

,

где k – коэффициент теплопередачи;

.

Рис.1 6.3

.

16.4. Критический диаметр изоляции цилиндрической стенки

Общее термическое сопротивление цилиндрической стенки с изоляцией (рис. 17.4).

.

Рис.16.4

При увеличении d_из увеличивается сопро-тивление слоя изоляции , но уменьшается сопротивление теплоотдачи

Приравнивая производную  к нулю, определим критический диаметр изоляции:

;        . (16.6)

Так как , то при  сопротивление R = R_min, а тепловой поток Q = Q_max.

Из приведенной на рис. 16.5 зависимости q = f(d_из) видно, что при наложении изоляции плотность теплового потока будет сразу же уменьшаться в тех случаях, когда . Таким образом, при заданных d₂ и a₂ изоляция будет эффективной при условии

                    (16.7)

Рис.16.5

Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты (ТОА), – устройства, в которых осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя холодному (нагреваемому). Теплоносители – газы, пары, жидкости.

Применение: в промышленных технологических процессах; в отопительных системах; в ПДВС (радиаторы системы охлаждения; охладители наддувочного воздуха); в ГТД (охладители, нагреватели); в ПСУ (экономайзеры, пароперегреватели, конденсаторы, подогреватели) и другие.

17.1.Типы ТОА

Различают следующие типы ТОА: рекуператоры (стационарные); регенераторы (нестационарные); смесительные.

В рекуператорах (рис. 17.1) каналы горячего и холодного теплоносителей разделены, передача теплоты происходит через стенку, разделяющую каналы.

По направлению движения теплоносителей рекуперативные ТОА подразделяют на прямоточные (рис. 17.1, а), противоточные (рис. 17.1, б), перекрестноточные (рис.17.1, в). Для интенсификации теплопередачи увеличивают количество ходов одного или обоих теплоносителей, вследствие чего возрастает скорость движения теплоносителя и увеличивается коэффициент теплоотдачи. На рис. 17.1,в представлена матрица ТОА, в которой горячий теплоноситель имеет один ход, а холодный – два хода.

Матрицы ТОА отличаются также видом теплопередающих поверхностей.

На рис. 17.2 в качестве примера представлена схема пластинчато-ребристой теплопередающей поверхности, а на рис. 17.3 – трубчато-пластинчатого теплообменного аппарата с шахматным и коридорным расположением трубок.

Рис. 17.1. Схемы рекуперативных ТОА:

а – прямоточный; б– противоточный; в - перекрестноточный одноходовой по горячему и двухходовой по холодному теплоносителям;

1 – входной коллектор; 2 – выходной коллектор;3 – коллектор поворота потока; 4 – теплопередающая матрица

Рис. 17.2. Схема пластинчато-ребристой теплопередающей поверхности матрицы ТОА:

1 – ребристая поверхность в канале горячего теплоносителя; 2 – припой; 3 – стенка, разделяющая каналы; 4 – ребристая поверхность в канале холодного теплоносителя

Рис. 17.3. Трубчато-пластинчатая решетка:

а – с шахматным расположением трубок; б – с коридорным расположением трубок

В регенераторах одна и та же поверхность матрицы поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. Поочередность прохождения теплоносителей обеспечивается либо поочередной подачей теплоносителей при неподвижной матрице, либо во вращающемся теплообменнике (рис.18.4) при вращении матрицы с частотой n=20 - 40 мин^-1, и одновременном протекании горячего и холодного теплоносителей через определенные для них участки ТОА.

Рис. 17.4. Схема вращающегося ТОА:

1 – теплопередающая матрица (насадка); 2 – корпус; 3 – ступица;4 – вал; 5 – разделительные пластины с уплотнением секции горячего и холодного теплоносителей

В смесительных ТОА – теплопередача происходит смешением теплоносителей.

Теплопередача в рекуперативных теплообменниках: изменение температуры и температурного напора при различных схемах движения теплоносителей; определение среднего температурного напора; определение коэффициента теплопередачи.

Характер изменения температуры теплоносителей и температурного напора между ними при различных направлениях движения теплоносителей показан на рис.17.5.

Рис.17.5. Характер изменения  и :

а – в прямоточном ТОА; б – в противоточном ТОА;

в – в перекрестноточном ТОА;

- температуры горячего (ГТ) и холодного (ХТ) тепло-носителей на входе;

- температуры теплоносителей на выходе;

- температурные напоры на входе и выходе.

Уравнение теплопередачи ,    (18.1)

где К – коэффициент теплопередачи;

      А – площадь теплопередающей поверхности;

- средние температуры ГТ и ХТ.

– средний температурный напор.