Интенсификация теплопередачи

Согласно уравнению теплопередачи:

,

для интенсификации теплопередачи нужно либо увеличить числитель (t_ж1-t_ж2) либо уменьшить термическое сопротивление теплопередачи R_k. Температуры теплоносителей обусловлены требованиями технологического процесса, поэтому изменить их обычно не удается.

Термическое сопротивление теплопередачи R_k, можно уменьшить, воздействуя на любую из составляющих R_1, R_, R_2. Однако, эффективнее уменьшить наибольшее из слагаемых:

,

Значит, если R_ намного меньше R_1 и R_2, то для существенного уменьшения R_k необходимо уменьшить R_ той жидкости, которая имеет меньший коэффициент теплоотдачи . То есть, допустим, оребрять стенку необходимо со стороны жидкости с меньшим коэффициентом теплоотдачи .

Аналогичного результата можно достичь увеличив и больший коэффициент теплоотдачи, но для этого требуются дополнительные затраты мощности на увеличение скорости течения теплоносителя.

Тепловой поток через оребренную стенку определяется по формуле:

,

где - коэффициент теплопередачи через оребренную стенку;

_р=F_2p/F₁ - коэффициент оребрения;

F_2p и F₁ - площади соответственно оребренной и не оребренной поверхностей стенки;

₁ - коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхнсти стенки к жидкости или газу.

О

Рисунок 10.2 - К расчету теплопередачи через оребренную стенку

тсюда видно, что с увеличением

коэффициента оребрения _р увеличивается коэффициент теплопередачи К_р, а значит и тепловой поток. Поэтому ребристыми выполняют радиаторы отопления, корпуса двигателей, радиаторы для охлаждения воды в двигателях внутреннего сгорания.

Тепловая изоляция

Для уменьшения потерь теплоты многие сооружения приходится теплоизолировать, покрывая их стенки слоем материала с малой теплопроводностью (<0,2 Вт/(мК)). Такие материалы называются теплоизоляторами. Большинство теплоизоляторов состоит из волокнистой, порошковой и пористой основы, заполненной воздухом. Термическое сопротивление теплоизолятора создает воздух, а основа лишь препятствует возникновению естественной конвекции воздуха и переносу теплоты излучением.

Теплоизоляционные свойства материалов ухудшаются с увеличением плотности, температуры и влажности материала.

Для плоской стенки увеличение толщины слоя изоляции увеличивает ее термическое сопротивление R_, в результате чего увеличивается суммарное термическое сопротивление теплопередачи R_k. Значение R_1 и R_2 при этом не меняется.

Для цилиндрической стенки увеличение толщины слоя изоляции так же увеличивает R_, но одновременно уменьшает R_2=1/d₂₂ (d₂ - наружный диаметр цилиндрической стенки). И при некоторых условиях нанесение изоляции на трубу может привести к увеличению теплопотерь.

Теплоизоляция цилиндрической поверхности эффективно работает только при условии:

,

где d_kp - критический наружный диаметр;

_из - коэффициент теплопроводности изоляции.

Задачи по теплопередаче

1. Вычислить потери теплоты через единицу поверхности кирпичной обмуровки парового котла в зоне размещения водяного экономайзера, если толщина стенки =250мм, температура газов t_ж1=700С и воздуха в котельной t_ж2=30С. Коэффициент теплоотдачи от газов к поверхности стенки ₁=23 Вт/(м²С) и от стенки к воздуху ₂=12 Вт/(м²С). коэффициент теплопроводности стенки =0,7 Вт/(мС).

2. Вычислить температуры на поверхностях стенки, если заданы следующие величины: температура дымовых газов t_ж1=1000С, кипящей воды t_ж2=200С; коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке ₁=100Вт/(м²С) и от стенки к кипящей воде ₂=5000 Вт/(м²С). Коэффициент теплопроводности материала стенки =50 Вт/(мС) и толщина стенки =12мм. Решить задачу при условии, что в процессе эксплуатации поверхность нагрева парового котла со стороны дымовых газов покрылась слоем сажи толщиной _с=1мм [_с=0,08 Вт/(мС)] и со стороны воды слоем накипи _н=1мм [_н=50 Вт/(мС)]. Вычислить плотность теплового потока через 1м² загрязненной поверхности нагрева и температуры на поверхностях соответствующих слоев t_с1, t_с2, t_с3, t_с4. Нарисовать распределение температуры по слоям стенки. Сравнить результаты расчета с ответом задачи 2 и определить уменьшение тепловой нагрузки.

3. Вычислить плотность теплового потока q,Вт/м², в пластинчатом воздухоподогревателе, если известно, что средняя температура газов t_ж1=315С и средняя температура воздуха t_ж2=135С, соответственно коэффициенты теплоотдачи ₁=23 Вт/(м²С) и ₂=30 Вт/(м²С). Толщина листов подогревателя =2мм. Коэффициент теплопроводности материала листов =50 Вт/(мС).

4. Определить температуры на поверхностях кирпичной стены помещения толщиной в 2 кирпича (=510мм) с коэффициентом теплопроводности =0,8 Вт/(мС). Температура воздуха внутри помещения t_ж1=18С; коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности стенки ₁=7,5Вт/(м²С); температура наружноговоздуха t_ж2= -30С; коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стены. обдуваемой ветром, ₂=20Вт/(м²С). Решить задачу, если стена покрыта снаружи слоем тепловой изоляции толщиной 50мм с коэффициентом теплопроводности =0,08 Вт/(мС). Сравнить потери теплоты через изолированную и неизолированную стенки. Нарисовать распределение температур по слоям стенки.

5. Определить тепловой поток через наружную стену холодильника размером 40х6 м. Температура наружного воздуха t₁=28С, температура воздуха в холодильнике t₂= -20С. Стена холодильника толщиной 250мм с коэффициентом теплопроводности =1,28 Вт/(мК) покрыта слоями: пароизоляции _п=5мм и _п=0,82 Вт/(мК), теплоизоляции _т=250мм и _т=0,05 Вт/(мК), штукатурки _ш=20мм и _ш=0,78 Вт/(мК). Коэффициенты теплоотдачи: от наружного воздуха к стене ₁=23,3Вт/(м²К); от внутренних стен к воздуху в холодильнике ₂=10,5Вт/(м²К).

6. Стена здания выполнена из строительного кирпича толщиной =350мм, с обеих сторон покрыта штукатуркой толщиной 20мм. Коэффициенты теплоотдачи; от наружного воздуха к стене ₁=25,4 Вт/(м²К), от стены к воздуху в помещении ₂=8,5 Вт/(м²К). Температура наружного воздуха t_н= -30С, температура внутри помещения t_в=22С. Определить удельный тепловой поток и температуру внутренней поверхности стены _в если коэффициенты теплопроводности кирпича _к=0,81 Вт/(мК) и штукатурки _ш=0,78 Вт/(мК). Какими станут тепловой поток и температура внутренней поверхности стен, и если стены внутри оклеить гофрированной бумагой _б=0,064 Вт/(мК) толщиной 5мм.

7. Найти площадь поверхности нагрева секционного водо-водяного подогревателя производительностью Q=1500 КВт при условии, что средняя температура нагреваемой воды t_ж2=77С. Поверхность нагрева выполнена из латунных трубок диаметром d₁/d₂=14/16мм с коэффициентом теплопроводности _с=120 Вт/(мС). На внутренней поверхности трубок имеется слой накипи _н=0,2мм с коэффициентом теплопроводности _н=2 Вт/(мС). Коэффициент теплоотдачи со стороны греющей воды ₁=10000 Вт/(м²С) и со стороны нагреваемой воды ₂=4000 Вт/(м²С). Так как отношение диаметров d₁/d₂=<1,8, то расчет можно провести по формуле для плоской стенки.

8. Вычислить потерю теплоты с 1м неизолированного трубопровода диаметром d₁/d₂=150/165мм, проложенного на открытом воздухе, если внутри трубы протекает вода со средней температурой t_ж1=90С и температура окружающего воздуха t_ж2= -15С. Коэффициент теплопроводности материала трубы =50 Вт/(мС). Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы ₁=1000 Вт/(м²С) и от трубы к окружающему воздуху ₂=12 Вт/(м²С). Определить так же температуры на внутренней и внешней поверхностях трубы.

9. По изолированному стальному трубопроводу диаметром 50х3,5мм течет холодный агент температурой -25С, коэффициент теплоотдачи от стены к холодному агенту ₂=1520 Вт/(м²К). Температура воздуха в помещении t_в=20С, коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности трубопровода ₁=12,5 Вт/(м²К). Изоляцией служит слой стекловаты толщиной 100мм. Определить потери холода с изоляцией и без нее.

10. По трубопроводу, покрытому изоляцией, с наружным диаметром 280мм и длиной 20м, протекает холодный агент температурой t_х= -17С; температура окружающего воздуха t_в=18С, коэффициент теплоотдачи от воздуха к наружной поверхности ₁=25,5 Вт/(м²К), коэффициент теплопередачи К=0,36 Вт/(м²К). Определить тепловой поток к холодному агенту и температуру на наружной поверхности трубопровода.