17.Виды конвективного теплообмена и их краткая характеристика

I Процессы теплоотдачи без изменения агрегатного состояния

II Теплоотдача при изменении агрегатного состояния

III Теплоотдача при непосредственном соприкосновении теплоносителей

I. Теплоотдача без изменения агрегатного состояния.

1. Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей в трубах и каналах.

Рассмотрим прямые трубы. В этом случае интенсивность процесса конвективного теплообмена будет зависеть от режима движения теплоносителя. В промышленной практике чаще всего реализуют турбулентный режим движения.

а) турбулентный режим Re ≥ 10⁴

Для труб если , то вводится поправка

; = 1,02÷1,65;

– поправочный коэффициент

В том случае, когда в процессе теплообмена резко изменяются свойства теплоносителя, то используется уравнение вида:

Pr_ж – критерий Прандтля при средней температуре жидкости ; все остальные критерии находятся также при этой же температуре.

Pr_ст – критерий Прандтля, определяемы для жидкости, но при температуре стенки.

В том случае, когда используются изогнутые трубы (змеевики), вводится поправочный коэффициент α_R

α – коэффициент теплоотдачи для прямых труб

d – внутренний диаметр трубы

D – диаметр витка змеевика

б) переходный режим 2300<Re<10⁴

Для этого случая не существует зависимостей, адекватно описывающих процесс во всех ситуациях. Для каждого теплообменника α определяется по опытным данным в справочниках в виде графиков и таблиц.

Приближенно в расчетах можно использовать уравнение вида:

в) ламинарный режим Re≤2300

В ламинарном режиме проявляется естественная конвекция вследствие разности температур по сечению потока

2. Теплоотдача при вынужденном обтекании труб.

В данном случае рассматривается движение в кольцевом канале, в связи с чем в критериях используется эквивалентный диаметр кольцевого пространства.

3. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в межтрубном пространстве.

c^* = 1,16 (при отсутствии перегородок в межтрубном пространстве)

c^* = 1,72 (при наличии перегородок)

Теплоотдача зависит от расположения труб:

2,Снижается разность температур (движущая сила процесса)

3,Растет парциальное давление неконденсирующегося компонента

α паровоздушной смеси (п.в.) зависит от

- состава смеси

- режима течения

- физических свойств компонента

- давления

- температуры

- формы и размера поверхности конденсации

2,Теплоотдача при кипении жидкостей.

Такой вид теплоотдачи имеет определенное значение в ректификации, выпаривании и холодильных установках. Величина, форма и количество пузырьков зависит от количества подводимого тепла, шероховатости поверхности, чистоты поверхности нагрева, смачиваемости и т.д.

Размер пузырьков увеличивается при всплытии за счет испарения жидкости внутрь пузырьков.

Процесс теплоотдачи при кипении состоит из 2х стадий:

1,Отдача тепла жидкости стенкой

2,Перенос тепла внутрь пузырьков в виде теплоты испарений

Центрами парообразования могут быть неровности поверхности (бугорки), загрязнения и т.д.

Различают 2 режима кипения:

1,Пузырчатое (ядерное) кипение, при котором наблюдается интенсивное перемешивание жидкостей.

2,Пленочное – когда образуется парожидкостная пленка при высоком значении удельного теплового потока.

Интенсивность парообразования влияет на значение коэффициента теплоотдачи и удельный тепловой поток. При некотором критическом значении разности температур Δt_кр, пузырчатое кипение переходит в пленочное.

– удельный тепловой поток

Последующее возрастание теплового потока связано с разрывом пленки (пленочный режим нестабильный).

Необходимо поддерживать разность температур на 10, 15% ниже Δt_кр для того, чтобы режим был пузырчатый.

A – коэффициент-включает в себя около десятка физических величин – свойств паровой и жидкой фазы.

III. Теплоотдача при непосмредственном соприкосновении фаз.

Система газ – жидкость.

Примеры процессов: ректификация, экстракция, абсорбция, процессы охлаждения воды.

Аппараты: ректификационные колонны, экстракторы, абсорберы.

Процессы теплоотдачи для этих аппаратов изучаются в соответствующих разделах при изучении процессов тепломассопереноса.

Система газ (жидкость) – твердый зернистый слой.

Примеры процессов: адсорбция, сушка, различные каталитические процессы.

1,1Теплоотдача при контакте газа с неподвижным слоем зернистого материала.

Коэффициент теплоотдачи зависит от формы, размера зерен, пористости, физических свойств теплоносителя, его температуры, температуры твердых частиц.

Большое влияние также оказывает теплопроводность зернистого материала, связанная с природным материалом.

1,2Теплоотдача при контакте газа с псевдоожиженным слоем или теплоотдача псевдоожиженного слоя.

Процесс теплоотдачи в таких аппаратах связан со следующими проблемами при проектировании: