Теплопередача и теплообменники

/ Литература / Тепловозы: Основы теории и конструкция / Теплопередача и теплообменники

Теплопередача (или сложный теплообмен) - это процесс передачи теплоты от одного теплоносителя (жидкости или газа), имеющего более высокую температуру Л, к другому теплоносителю (жидкости или газу), имеющему более низкую температуру 12, через разделяющую их стенку (поверхность теплообмена). Схема этого процесса приведена на рис. 3.17. Процесс теплопередачи по этой схеме складывается из трех рассмотренных выше простейших процессов:

конвективной теплоотдачи от горячего теплоносителя к поверхности стенки с температурой 1„, который определяется выражением типа (3.62):

0 = «,^/,-^),

где он - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке;

теплопроводности через стенку толщиной б, определяемой уравнением типа (3.57):

где 1"г - температура поверхности стенки со стороны холодного теплоносителя;

конвективной теплоотдачи от нагретой стенки к холодному теплоносителю:

<Э = «2^-/2),

где а.2 - коэффициент теплоотдачи от стенки к теплоносителю.

По аналогии с выражениями для простейших процессов теплопередачу в целом можно представить уравнением

Q = kF(U-h)

(3.66)

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К).

Из схемы процесса на рис. 3.17 вытекает, что

< 1 - *а=(Л - +

Все разности температур в этом уравнении могут быть определены из четырех вышеприведенных уравнений соответственно. В результате получаем, что

* = 1/а, + в/Л + 1/а,' (3-67)

т. е. что коэффициент теплопередачи к представляет собой величину, обратную сумме термических сопротивлений составляющих ее процессов.

Коэффициент теплопередачи к определяется на основе критериальных уравнений типа

Ki = ^,Re7lRe2"2T>D,

(3.68)

kl

где Кі = -^--критерий Кирпичева, названный так в честь крупного русского ученого акад. М. В. Кирпичева, одного из основателей теории подобия; І?еі и ь^ег - числа Рейнольдса для обоих теплоносителей; 0 = (7"і _ Т2) 102/7"і - температурный фактор; А\, Ш\, п%2, р - постоянные.

Для процессов теплопередачи характерно, что термическое сопротивление теплопроводности б/Я в выражении (3.67) значительно меньше величин 1/а, поэтому часто им пренебрегают и считают, что

/г -(3.69) а, + а2

Обычно коэффициенты теплоотдачи а\ и а2 с разных сторон стенки сильно отличаются друг от друга по значению, так, например, для теплопередачи от горячей воды к воздуху а\ имеет порядок 5000 Вт1 (м2-К), а а2 - 50 Вт/(м2-К), т. е. в 100 раз меньше. При таком соотношении к^аг. Поэтому для увеличения коэффициента теплопередачи применяют увеличение площади те-плопередающей поверхности со стороны худшей теплоотдачи (ореб-рение) так, чтобы отношение 1^11м == = 5-=-10 (рис. 3.18). Тогда коэффициент теплопередачи, отнесенный к большей поверхности ¥2, а, а,

6 = * (3.70)

При этом, величина коэффициента теплопередачи даже уменьшается (в нашем случае при ¥2/¥\ = = 10 - примерно на 10%), но так как площадь теплопередающей поверхности значительно возрастает, общее количество передаваемого тепла увеличивается в [ {^"г117!) - 1] раз.

Теплообменники - это технические устройства для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Необходимость в таких устройствах для силовых установок вытекает, в частности, из второго закона термодинамики, по которому от рабочего тела необходимо отводить часть теплоты к теплоприемнику, которым обычно является атмосферный воздух. Поэтому и на тепловозах применяется целый ряд различных тешюобменных аппаратов, в которых теплота передается от жидкости к жидкости (например, от масла к воде - водомасляные теплообменники), от жидкости (воды или масла) - к воздуху (водо- и масло воздушные радиаторы), от воздуха к воздуху (воздуховоздушные теплообменники наддувочного воздуха). Все эти конкретные устройства рассмотрены в гл. 6.

Отметим общие принципы их устройства и работы. Большинство теплообменников представляет собой пучки труб малого диаметра. Распределение потока теплоносителя (жидкости) по большому числу трубок малого диаметра позволяет значительно увеличить (развить) при том же общем объеме устройства величину поверхности теплообмена. Со Рис. 3.17. Конвективный теплообмен передача через плоскую стенку стороны меньшего коэффициента теплоотдачи теплоотдающая поверхность труб увеличивается также за счет оребрения.

Теплообменники типа «жидкость- жидкость» выполняются обычно в виде цилиндрического кожуха, в котором между двумя решетками размещается трубный пучок. Теплообменники типа «жидкость-воздух» для возможности лучшего контакта с атмосферным воздухом выполняются в виде развернутых плоских панелей (радиаторов).

В зависимости от взаимного характера движения теплоносителей различают теплообменники прямоточные, в которых теплоносители движутся попутно и разность температур между ними уменьшается по длине теплообменника; противо-точные, где движение теплоносителей встречное, и перекрестноточные с взаимно перпендикулярным течением теплоносителей.

Лучшие технико-экономические показатели имеют противоточные Рнс. 3.18. Оребренне теплоотдающей поверхности

I

-I

/У11У11/ГЛ

/Л <*7

теплообменники, однако такую схему движения трудно обеспечить, особенно если один из теплоносителей - воздух.

Эффективность теплообменников в эксплуатации зависит от состояния их теплопередающих поверхнос-тей. Наибольшее влияние на величину количества передаваемого тепла оказывает загрязнение этих поверхностей, например, из-за осаждения пыли с воздушной стороны, выделения вязких осадков из масла или солей (накипи) из воды. Любой дополнительный слой на теплопере-дающей поверхности является дополнительным термическим сопротивлением типа б/Я в знаменателе формулы (3.67), причем, несмотря на малую толщину осадков, их термическое сопротивление оказывается очень большим потому, что их теплопроводность очень мала. В результате теплопередача загрязненных теплообменников резко сокращается.

⇐ | Теория теплообмена | | Тепловозы: Основы теории и конструкция | | Принципы устройства и работы двигателей внутреннего сгорания и классификация двигателей | ⇒