Теплообмен - это самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным распределением температуры.
Различают три основных вида передачи теплоты: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.
Теплопроводностью называется молекулярный перенос теплоты в сплошной среде. В этом случае теплота передается за счет непосредственного соприкосновения частиц, имеющих различную температуру. Это приводит к обмену энергией между молекулами, атомами или свободными электронами. Теплопроводность возможна в твердых, жидких и газообразных средах.
Конвекцией называется перенос теплоты при перемещении объемов газа или жидкости в пространстве. Теплообмен между жидкостью или газом и поверхностью твердого тела называется конвективным теплообменом. Это теплообмен, обусловленный совместным действием конвективного и молекулярного переносов теплоты. Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой - твердым телом, жидкостью или газом называется теплоотдачей.
Теплообмен изучением (лучистый теплообмен) - процесс передачи теплоты в виде электромагнитных волн.
Все рассмотренные виды переноса энергии (теплопроводность, конвекция и излучение) во многих случаях осуществляются совместно. В этом случае теплообмен называется сложным или комбинированным.
Устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями, называется тепло-обменным аппаратом или теплообменником. Чаще всего в теплообменных аппаратах осуществляется передача теплоты от одного теплоносителя к другому, т.е. нагревание одного теплоносителя происходит за счёт охлаждения другого.
|
|
Теплообменники с двумя теплоносителями разделяют на смесительные, рекуперативные, регенеративные и с промежуточным теплоносителем.
Наиболее простыми и компактными являются смесительные теплообменники. Регенеративные теплообменники и теплообменники с промежуточным теплоносителем используют для переноса теплоты вспомогательное вещество (промежуточный теплоноситель). В рекуперативных теплообменниках теплота от одного теплоносителя к другому передаётся через разделяющую их стенку.
Среди рекуперативных наиболее распространены трубчатые теплообменники, в которых один из теплоносителей движется в трубах, а другой - в межтрубном пространстве. В таких теплообменниках смешения теплоносителей не происходит и они используются для самых разнообразных сочетаний греющего и нагреваемого веществ.
В зависимости от взаимного направления движения теплоносителей тешюобменные аппараты могут быть прямоточными или противоточными (рис. 12).
В процессе расчёта рекуперативного теплообменника обычно задаются расходом нагреваемого теплоносителя, начальной и конечной температурой обоих теплоносителей. Выбирают тип теплообменника, определяют его тепловую мощность, расход горячего теплоносителя и площадь поверхности теплообмена, по которой устанавливают габаритные размеры аппарата.
Задача 4
Для решения задачи требуется проработать разделы по теплопередаче и теплообменным аппаратам в стационарном режиме.
Условия задачи:
Определить площадь поверхности нагрева газоводяного рекуперативного теплообменника, работающего по противоточной схеме. Греющий теплоноситель - дымовые газы с начальной температурой 
и конечной 
. Расход воды через теплообменник Gв, начальная температура воды 
, конечная 
. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы 
и от стенки трубы к воде 
. Теплообменник выполнен из стальных труб с наружным диаметром d =50 мм и толщиной стенки 
= 4 мм. Коэффициент теплопроводности стали 
=62 Вт/(м∙К). Стенку считать чистой с обеих сторон.
|
|
Определить также площадь поверхности теплообмена при выполнении теплообменника по прямоточной схеме и сохранении остальных параметров неизменными.
Для обеих схем движения теплоносителей (противоточной и прямоточной) показать без расчета графики изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена. Указать преимущества противоточной схемы.
Дано:
= 40 Вт/(м2∙К); = 10 ° С;
=1000 Вт/(м2∙К); = 70 ° С;
Gв = 100 кг/ч; 
= 300 ° С;
= 62 Вт/(м∙К); 
= 120 ° С;
= 4 мм; d = 50 мм.
Определить: F, м2.
Решение:
Учитывая, что по условиям задачи отношение наружного диаметра к внутреннему меньше двух, расчет можно вести по формулам теплопередачи для плоской стенки в стационарном режиме, т.е.:
где F - площадь поверхности теплообмена, исходя из среднего диаметра трубы, м2; Q - тепловой поток, Вт; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К), 
- средний температурный перепад между теплоносителями, К.
Тепловой поток определяется выражением:
где С = 4190 Дж/(кг∙К) - теплоемкость воды.
Коэффициент теплопередачи составит:
Средний температурный напор определится исходя из схемы противоточного движения теплоносителей;
|
|
где 
Площадь поверхности теплообмена составит:
В случае применения прямоточной схемы теплообменника средний температурный перепад между теплоносителями составит:
где 
Поверхность теплообмена в данном случае составит:
Контрольный вопрос:
В соответствии с принятыми в задаче обозначениями построить графики изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена в произвольном масштабе и ответить на контрольный вопрос: какой физический смысл коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи; от каких факторов зависит их величина?