Оптимизация и интенсификация теплообмена

 

Оптимизацию любого процесса начинают с выбора критерия оптимальности. В качестве наиболее общего критерия оптимальности можно использовать денежные затраты на проведение процесса теплообмена.

Затем выявляются параметры оптимизации – величины, которые независимо друг от друга влияют на критерий оптимальности. Далее данный критерий необходимо минимизировать, т.е. добиваться при проведении процесса теплообмена наименьших затрат.

Рассмотрим интенсификацию теплообмена. Обычно тепловая нагрузка теплообменного аппарата фиксирована - она либо задана, либо находится из уравнения теплового баланса. Задача сводится к определению минимальной межфазной поверхности для проведения данного процесса теплообмена

 

(79)

 

Уменьшение поверхности теплообмена можно достичь согласно формуле (79), увеличивая коэффициент теплопередачи или среднюю движущую силу процесса. Увеличить Δ T _ср можно, используя теплоносители с большой разницей начальных температур, достаточно высоким расходом
и удельными теплоемкостями при противотоке.

Для увеличения коэффициента теплопередачи необходимо увеличить коэффициенты теплоотдачи a₁, a₂ и уменьшить термическое сопротивление стенки, разделяющей теплоносители. На коэффициент теплоотдачи влияют следующие факторы:

1. Характер движения теплоносителя и его скорость.
При турбулентном режиме с увеличением скорости теплоносителя толщина теплового пограничного слоя уменьшается и α увеличивается.

2. Физические свойства теплоносителя (m, l, с_р, r). Коэффициент теплоотдачи a растет с уменьшением µ и увеличением l, r, с_р.

3. Размеры и формы поверхности теплообмена.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи определяется гидродинамическими, физическими и геометрическими факторами.

Для увеличения α используются активные и пассивные методы.

К активным методам относятся: механическое воздействие
на теплообменную поверхность (вращение или вибрация поверхностей, перемешивание теплоносителя и т.д.), пульсация давления, вдув и отсос пограничного слоя.

В основе пассивных методов лежит воздействие на поток теплоносителя формой поверхности теплообмена. Используются винтовые, локальные, пластинчатые закручиватели потока, различные оребрения поверхности теплообмена. Во всех этих случаях происходит турбулентное разрушение пристенных слоев жидкости.

Однако, эти методы приводят к увеличению гидравлического сопротивления: одновременно увеличивается как коэффициент теплоотдачи a, так и коэффициент гидравлического сопротивления x.

Оценим эффективность методов интенсификации теплообмена. Обозначим через Nu и x до использования методы интенсификации, через Nu_u и x _u после. Очевидно, эти параметры зависят от режима течения теплоносителя. Тогда можно записать

 

. (80)

 

Если левая часть уравнения больше единицы, то использование предложенного метода интенсификации экономически оправдано.
Для интенсификации теплообмена можно использовать пленочное течение теплоносителя.

 

Контрольные вопросы

 

1. Чем отличаются процессы кондуктивного и конвективного теплообмена?

2. Напишите уравнения кондуктивного и конвективного теплообмена для плоской стенки.

3. Напишите уравнение теплопроводности для многослойной цилиндрической стенки.

4. Чем отличаются теплообменные задачи в изотермической
и неизотермической постановке?

5. Дайте определение гидродинамического и теплового пограничного слоев. Какой вид будут они иметь для плоской пластины?

6. Какие допущения принимаются для получения уравнений гидродинамического и теплового пограничных слоев на плоскости пластины?

7. Чем отличаются ламинарные гидродинамические и тепловые пограничные слои от турбулентных?

8. Почему и как меняется локальный коэффициент теплоотдачи
по длине горизонтальной пластины для турбулентного пограничного слоя?

9. Дайте для горизонтальной круглой трубы определение начальных участков гидродинамической и тепловой стабилизации.

10. Для круглой трубы в области стабилизированного теплообмена локальный коэффициент теплоотдачи равен предельному a_кр = 3,66l/ d
или Νu _пр = 3,66. Почему?

11. Как влияет на теплообмен изменение теплофизических характеристик теплоносителя?

12. В чем заключается механизм переноса тепла при конденсации пара?

13. В чем заключается механизм конденсации паровых смесей
и парогазовых смесей?

14. В чем специфика теплообмена при изменении фазового состояния теплоносителя?

15. Почему коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении жидкости меньше, чем при пузырчатом?

16. В каких случаях необходимо учитывать перенос тепла излучением?

17. Сформулируйте определение абсолютно черного, абсолютно белого и серого тепла.

18. Как определить коэффициент теплоотдачи за счет излучения
от твердой стенки к газу?

19. Как определить количество теплоты, переходящее от более нагретого тепла к менее нагретому, вследствие теплового излучения?

20. В чем заключается задача оптимизации теплообмена
в теплообменниках?

21. Каковы способы интенсификации теплообмена?

22. Что понимают под критическим температурным напором при кипении?

23. В каких случаях применяется физическое моделирование теплообмена и в чем его суть?