Состояние поверхности. Чем более шероховатая поверхность, тем толще на ней может образоваться конденсатная пленка, а значит, уменьшается коэффициент теплоотдачи.
Средний коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации пара можно определить по формуле:
, (2.43)
где r – теплота конденсации греющего пара, кДж/кг; r (кг/м3), l (Вт/м·град), m (Па·с) – соответственно плотность, теплопроводность, динамическая вязкость конденсата при средней температуре пленки tср; Dt = tн – tср – разность температур конденсации пара и стенки, ºС; tн – температура насыщения, ºС; d – геометрический размер, м.
2.2.4 Лучистый теплообмен
Тепловое излучение. Под тепловым излучением понимают перенос теплоты от одного тела к другому при помощи электромагнитных волн определенной длины. Способность переносить тепловую энергию обладают электромагнитные волны с длиной от 0,4 до 800 мкм. Этот диапазон входят световые лучи (ультрафиолетовые) с длиной 0,4–0,8 мкм и инфракрасные (тепловые) лучи с длиной 0,8–800 мкм. Роль светового излучения ощутима только при очень высоких температурах рабочих тел. При температурах же, характерных для промышленных энергетических установок, практически вся теплота передается инфракрасными лучами.
Количество теплоты, излучаемой с единицы поверхности в единицу времени называют поверхностной плотностью излучения или излучательной способностью тела Е [Вт/м2]. Ели тело имеет поверхность F, то количество теплоты, излученной с этой поверхности, будет найдено
, Вт. (2.44)
Излучательная способность не зависит от температуры окружающих тел, а зависит только от собственной температуры тела (чем выше температура, тем короче длина волны и интенсивнее излучение).
Обычно при попадании на тело лучистого потока теплоты, часть его поглощается телом ЕА, часть отражается ЕR, часть проходит сквозь тело ED:
. (2.45)
Разделив выражение (2.45) на Епад, получим
или (2.46)
Если обозначить за А – коэффициент поглощения тела, D – коэффициент пропускания тела; R – коэффициент отражения тела, то в зависимости от распределения лучистой энергии на поверхности тела можно выделить следующие виды тел:
А) абсолютно черное (А = 1), тело полностью поглощает падающую на него тепловую энергию;
Б) абсолютно белое (R = 1), тело полностью отражает падающую тепловую энергию;
В) абсолютно прозрачное (D = 1), тело полостью проводит падающую тепловую энергию через себя.
Нужно отметить, что в природе таких тел не существует, есть только тела, приближающиеся к ним, то есть все тела серые ().
При поглощении и отражении лучистой тепловой энергии основное значение имеет не цвет, а состояние поверхности тела. Например, белая поверхность хорошо отражает только световые, а тепловые может поглощать также хорошо, как и черная. На способность отражения (поглощения) тепловой энергии телами влияет также и состояние поверхности. Шероховатая поверхность рассеивает лучи при отражении, и они могут попадать снова на поверхность. В этом случае поверхность называют матовой. Если поверхность достаточно гладкая, то рассеивания не происходит и поверхность в этом случае называют зеркальной (глянцевой).
Для большинства твердых и газообразных тел поглощение теплового потока происходит в начальном поверхностном слое и не зависит от толщины самого тела. Для газов, имеющих малую концентрацию молекул, процесс поглощения лучистой энергии носит объемный характер. То есть коэффициент поглощения будет зависеть от объема газа, его давления и концентрации поглощающих молекул.
Суммарный процесс взаимного излучения, поглощения, отражения и пропускания лучистой энергии в системе тел называется лучистым теплообменом.
Связь между излучательной и поглощательной способностью устанавливает закон Кирхгофа, согласно которому наибольшее возможное количество теплоты излучается черным телом, а количество энергии, излучаемое единицей поверхности серого тела, прямо пропорционально его коэффициенту поглощения:
. (2.47)
Коэффициент поглощения А также еще называют степенью черноты.
Тогда отношение излучательной способности к поглощательной для всех тел одинаково и равно излучательной способностью абсолютно черного тела:
. (2.48)
Взаимосвязь между интенсивностью излучения и длинами волн устанавливает закон Планка:
. (2.49)
где I – интенсивность излучения, λ – длина волны; Т – абсолютная температура поверхности тела.
Ученым В. Вином было установлено, что произведение максимальной длины волны и абсолютной температуры тела есть величина постоянная:
, м·К. (2.50)
Полное количество энергии, излучаемое абсолютно черным телом, определяется законом Стефана-Больцмана:
. (2.51)
Количество энергии, излучаемое абсолютно черным телом, прямопропорционально четвертой степени его абсолютной температуре.
Здесь с0 = 5,67 Вт/(м2∙К4) – постоянная Стефана-Больцмана.
Закон Стефана-Больцмана определяет общее количество энергии, излучаемое телом по всем направлениям, однако взятый по различным направлениям лучистый поток будет не одинаков. Если тело излучает энергию по направлению к другому телу под определенным углом, то согласно закону Ламберта, количество излученной этим телом энергии можно найти
. (2.52)
где Еn – количество энергии излучаемой по нормали, проведенной к поверхности тела.
При расчете лучистого теплообмена между телами необходимо учитывать температуры, степени черноты и площади теплообменных поверхностей каждого тела участвующего в теплообмене, а также их форму и взаимное расположение.
Количество теплоты излучаемым одним телом по отношению к другому, если поверхности теплообмена этих тел являются параллельными и разделенными прозрачной средой, определяется
, Вт, (2.53)
где Апр –– приведенная степень черноты тел, участвующих в теплообмене,
, (2.54)
где А1 и А2 – соответственно степень черноты первого и второго тела.
Если параллельные тела разделены между собой непрозрачными телами, то
, (2.55)
где n – количество экранов.
Если одно тело при излучении находится внутри плоскости другого тела, то
. (2.56)
где F1 и F2 – соответственно поверхности излучения первого и второго тела.
При излучении теплового потока с поверхности твердых тел в газообразную среду можно также использовать также формулу (2.53), подставив вместо Апр степень черноты твердого тела.
Теплопередача
Термином теплопередача принято называть процесс передачи теплоты между двумя средами разделенных стенкой. Это наиболее из распространенных процессов переноса теплоты. При теплопередаче теплота переносится одновременно несколькими способами. Поэтому она является процессом сложного теплообмена. Так на приведенной схеме (рис. 2.10) теплота от горячей жидкости 1 с температурой t1 при коэффициенте теплоотдачи α1 передается конвекцией стенке 2, затем – теплопроводностью через стенку и далее от стенки конвекцией к жидкости 3, имеющей температуру t2, при коэффициенте теплоотдачи α2. При стационарном режиме значение теплового потока остается постоянным во всех областях теплопередачи, т.е.
, (2.57)
где ; (2.58)
; (2.59)
. (2.60)
Если выразить из этих формул (2.58, 2.59, 2.60) температурные напоры и сложить их, то получим суммарный температурный напор:
. (2.61)
Отсюда следует выражение теплового потока
, (2.62)
где – полное термическое сопротивление теплопередаче; и – частные термические сопротивления теплоотдачи; – частное термическое сопротивление теплопроводности.
Формулу (2.62) можно представить в ином виде, если подставить в нее , называемый коэффициентом теплопередачи:
. (2.63)
Коэффициент теплопередачи численно равен количеству теплоты, передаваемой в единице времени, через единицу площади поверхности при перепаде температур 1 градус между горячей и холодной средой.
Таким же способом модно получить формулы для расчета теплового потока, передаваемого теплопередачей:
- для многослойной плоской стенки
; (2.64)
- для многослойной цилиндрической стенки
. (2.65)
Теплообменные аппараты
Теплообменным аппаратом называется устройство, предназначенное для передачи теплоты от горячей среды к холодной.
Кроме аппаратов, в которых передача теплоты является единственной производственной задачей (как для всевозможных нагревателей, охладителей, конденсаторов, испарителей), к теплообменникам можно отнести и разнообразные технологические установки и устройства, например, двигатели внутреннего сгорания, печи для термической обработки материалов, электрические машины, химические реакторы и пр. Общим для них является то, что для рациональной их эксплуатации необходим подвод или отвод определенного количества теплоты. В электрических машинах и аппаратах это будет охлаждение токоведущих частей с целью недопущения перегрева проводника и изоляции.
По механизму переноса теплоты теплообменные аппараты делятся на три основные группы: рекуперативные, регенеративные и смесительные.
Основным признаком рекуперативных теплообменников является наличие теплообменной поверхности – стенки, которая разделяет горячую и холодную жидкости. Это исключает перемешивания жидкостей и позволяет эксплуатировать теплообменник при различных давлениях теплоносителей. Указанные особенности столь полезны, что подавляющее число теплообменных аппаратов относится именно к рекуперативным.
Вместе с тем разделительная стенка является частью аппарата, на котором откладывается зола, накипь, пыль и др., поэтому при эксплуатации рекуперативных теплообменников необходимо проводить мероприятия по очистке теплопередающих поверхностей.
К рекуперативным теплообменникам относятся кожухотрубчатые, пластинчатые и спиральные теплообменники.
Кожухотрубчатые теплообменники получили наибольшее распространение. Они представляют устройство (рис. 2.11), выполненное из блока труб, соединенных трубной доской и заключенных в кожух. Трубки теплообменника являются теплопередающей поверхностью и могут выполняться гладкими и ребристыми, прямыми и U-образными. Ребра у трубок могут иметь самую разнообразную форму: в виде дисков, спиралей, игл, плавников и т.п. Число ходов теплоносителей также может быть разным.
Пластинчатые теплообменники бывают самых разных конструкций и делятся в основном на разборные, полуразборные, неразборные сварные и блочные сварные. Эти аппараты состоят из группы теплообменных пластин (рис. 2.12), подвешенных на горизонтальных штангах, которые закреплены в неподвижных стойках. При помощи нажимной плиты пластины собираются в пакет и в рабочем состоянии плотно прижаты друг к другу. Пространство каналов, образующееся между пластинами, уплотняют резиновыми прокладками. Благодаря этому, в аппарате образуется две системы герметичных каналов: одна для греющей среды, другая для нагреваемой среды.
Рис. 2.12. Пластинчатый теплообменник
Спиральные теплообменники представляют собой две металлические ленты толщиной 3–7 мм, соединенные между собой в середине перегородкой (керном) и навитые вокруг этой перегородки (рис. 2.13) так, что образуются два канала – для греющей и нагреваемой среды. Для недопускания смятия спирали под действием давлений к поверхности ленты привариваются дистанционные штифты. Спиральные теплообменники различают на аппараты с крышками, имеющие тупиковые и сквозные каналы и на аппараты без крышек с глухими каналами.
Рис. 2.13. Спиральный теплообменник
В регенеративных теплообменниках два или более теплоносителя соприкасаются с одной и той же теплообменной поверхностью. Теплообмен в этих аппаратах происходит за несколько периодов. При соприкосновении поверхности аппарата с горячим теплоносителем, его теплообменные поверхности получают теплоту и аккумулируют ее внутрь (нагрев поверхностей). В следующий период, при соприкосновении с поверхностью аппарата холодного теплоносителя аккумулированная теплота отдается ему (охлаждение поверхностей). Так как регенеративные теплообменники являются аппаратами периодического действия, то для непрерывности их работы используют две камеры, в которых направление теплового потока все время меняется.
В смесительных (контактных) теплообменниках происходит непосредственное соприкосновение и смешение различных теплоносителей. Примерами таких аппаратов могут служить оросительная камера у кондиционеров, градирни на ТЭС, скрубберы пылеочистки, деаэраторы котельных и пр.
При расчете теплообменников решаются следующие задачи:
Определение поверхности теплопередачи, которая обеспечивает передачу заданного количества теплоты;
Определение количества теплоты, которое может быть передано от горячего теплоносителя к холодному при известной поверхности нагрева;
, (2.43)
, Вт. (2.44)
. (2.45)
или 
(2.46)
).
. (2.47)
. (2.48)
. (2.49)
, м·К. (2.50)
. (2.51)
. (2.52)
, Вт, (2.53)
, (2.54)
, (2.55)
. (2.56)
Теплопередача
Термином теплопередача принято называть процесс передачи теплоты между двумя средами разделенных стенкой. Это наиболее из распространенных процессов переноса теплоты. При теплопередаче теплота переносится одновременно несколькими способами. Поэтому она является процессом сложного теплообмена. Так на приведенной схеме (рис. 2.10) теплота от горячей жидкости 1 с температурой t1 при коэффициенте теплоотдачи α1 передается конвекцией стенке 2, затем – теплопроводностью через стенку и далее от стенки конвекцией к жидкости 3, имеющей температуру t2, при коэффициенте теплоотдачи α2. При стационарном режиме значение теплового потока остается постоянным во всех областях теплопередачи, т.е.
, (2.57)
; (2.58)
; (2.59)
. (2.60)
. (2.61)
, (2.62)
– полное термическое сопротивление теплопередаче; 
и 
– частные термические сопротивления теплоотдачи; 
– частное термическое сопротивление теплопроводности.
, называемый коэффициентом теплопередачи:
. (2.63)
; (2.64)
. (2.65)
