738

Рис. 8.7

Рассмотренная схема вычисления лучистого теплового потока от продуктов сгорания к стенке пригодна для газа с однородным составом и

одинаковой температурой поперек камеры сгорания.

151

Тепловые потоки солнечной радиации. Самыми мощными источни-

ками лучистой энергии являются Солнце и звезды. С поверхности Солнца ежесекундно излучается энергии 3,8·1026 джоулей. Примерно половина этой энергии приходится на видимый спектр излучения, остальная часть - на инфракрасные и тепловые лучи.

Количество солнечной энергии, падающей на единицу нормальной к лучам поверхности, находящейся за пределами атмосферы, в единицу времени, называется с о л н е ч н о й п о с т о я н н о й. Солнечная постоянная зависит от расстояния до Солнца, и на верхний слой атмосферы приходится в среднем 1353 Вт/м2. До Земли доходит значительно меньше энергии, так как она поглощается атмосферой, отражается облаками, преломляется в воздухе. Несмотря на это, лучистый поток от Солнца на поверхность Земли в безоблачный день внушителен. Так, например, солнечная батарея (фотоэлектрический генератор) площадью в 1 м2 с коэффициентом полезного действия 15 % выдает в безоблачный день 0,25 кВт электроэнергии.

Важнейшими достоинствами солнечной энергии являются ее возобновляемость, безвредность для окружающей среды и отсутствие необходимости в средствах ее доставки. Ограниченное использование солнечной энергии на территории России связано с малой плотностью лучистого потока, его неравномерностью из-за смены дня и ночи и перемен погоды. Однако, решение проблем, связанных с концентрацией солнечной энергии и ее аккумуляцией, открывает широкую перспективу для этого вида неисчерпаемой энергии.

Возможности использования солнечной энергии достаточно подробно изложены в работе [2].

152

Г л а в а 9 Теплопередача и теплообменные аппараты

9.1. Уравнение теплопередачи

Втеплотехнических расчетах часто приходится иметь дело со сложным теплообменом – т е п л о п е р е д а ч е й .

Под теплопередачей понимают процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

При теплопередаче имеют место все виды теплообмена: конвективный, лучистый и теплопроводность. Тепловой поток направлен от теплоносителя

сбольшей температурой через стенку к теплоносителю с меньшей темпера - турой. Принято индексом „1” обозначать величины, относящиеся к высоко - температурному теплоносителю, а индексом „2” – к низкотемпературному.

Встационарном режиме плотность теплового потока между теплоносителями пропорциональна разности их температур:

“у р а в н е н и е т е п л о п е р е д а ч и”. Коэффициент пропорциональности

лоотдачи и лучистого теплообмена между стенкой и теплоносителями, от теплопроводности стенки, ее размеров и формы. Для оценки переноса теплоты между теплоносителем и стенкой вводят суммарный коэффициентом теплоотдачи, который включает конвективную и лучистую составляющие:

1 к1 л и 2 к 2 л2 ,

где α1 и α2 – суммарные коэффициенты теплоотдачи со стороны первого и второго теплоносителей;

К1 и К 2 – коэффициенты теплоотдачи, определяемые по критериальным уравнениям для одного и другого теплоносителя;

л1 и л2 – лучистые составляющие переноса тепла, они вычисляются

153

Сомножитель у разности температур и есть коэффициент теплопередачи для плоской однослойной стенки:

В итоге плотность теплового потока при теплопередаче через стенку

154

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется п о л- н ы м т е р м и ч е с к и м с о п р о т и в л е н и е м т е п л о п е р е д а ч и. Для плоской однородной стенки полное термическое сопротивление запи-

Цилиндрическая стенка. Получим выражение коэффициента теплопередачи для однородной цилиндрической стенки с внутренним диаметром d1 и наружным d2. Коэффициент теплопроводности материала стенки λ примем независимым от температуры. При установившемся тепловом режиме и известных Tm1, Tm2, α1 и α2 тепловой поток, отнесенный к длине стенки, запишется как

9.3. Теплопередача через оребренную стенку

Для цилиндрических стенок ребра могут быть направлены вдоль образующей цилиндра, по винтовой линии или перпендикулярно оси, как показано на рис. 9.2 а. Оребрение выполняется со стороны теплоносителя с меньшей температурой.

Согласно многочисленным исследованиям (см. например [7]), интенсив-

155

9.4. Интенсификация теплопередачи

При решении практических задач по теплопередаче может возникнуть необходимость как в интенсификации передачи тепла, так и в ее снижении. При решении вопроса по увеличению передачи теплоты через разделяющую теплоносители стенку, прежде всего, необходимо проанализировать уравнение теплопередачи, записанное для теплового потока в виде:

Из выражения (9.9) следует, что одним из факторов воздействия на тепловой поток является площадь поверхности теплопередачи F, однако этот путь не всегда рационален. Большего эффекта можно достичь путем воздействия на коэффициент теплопередачи. С увеличением коэффициента теплопередачи (9.2) уменьшается полное термическое сопротивление (9.4),.что приводит к увеличению теплового потока.

Уменьшить величину R можно путем воздействия на частные термические сопротивления. Определим, например, полное термическое сопротивление в процессе теплопередачи от пламени с температурой Тm1 = 973 К и α1= 40 Вт/(м2 К) через стальную стенку толщиной δ = 2 мм и λ = 20 Вт/(м К) к кипящей воде c Tm2 = 373 К и α2 = 5000 Вт/(м2 К):

Отсюда

к1 1 39,5 Вт/(м2·К) и q к (Tm1 Tm2 ) 39,5 (973373) 2,37 104 Вт/м2 R 0,0253

Сцелью увеличения интенсивности теплопередачи уменьшим последовательно каждое частное термическое сопротивление, к примеру, в 2 раза. Так, если увеличить в 2 раза только α1, то

Почти к таким же результатам приведет уменьшение в 2 раза последнего термического сопротивления 1/α2.

Из приведенного примера можно сделать выводы:

1.Полное термическое сопротивление всегда больше самого большого частного термического сопротивления.

2.С целью изменения полного термического сопротивления целесообразно воздействовать на большее частное термическое сопротивление.

157

При равнозначных частных термических сопротивлениях возможно воздействие на каждое из них.

Общий анализ выражения коэффициента теплопередачи (9.2) показывает, что интенсифицировать передачу тепла от одного теплоносителя к другому можно путем увеличения коэффициентов α1 и α2, применением более теплопроводного материала стенки или уменьшением ее толщины.

Если перечисленные способы не могут быть применены, то для интенсификации теплопередачи может быть использовано оребрение стенки.

9.5. Тепловая защита

Тепловая защита организуется либо с целью уменьшения теплового потока между теплоносителями, либо в связи с необходимостью снижения средней температуры по толщине стенки, обтекаемой высокотемпературным

и з о л я ц и я . Тепловая изоляция предусматривает покрытие теплопередающей стенки одним или несколькими слоями материала с низкой теплопроводностью, обычно λ< 0,25 Вт/(м К). Анализ уравнения (9.3) показывает, что плотность теплового потока уменьшается с увеличением толщины изоляции и уменьшением ее теплопроводности. В таблице 8 Приложения приведены теплофизические свойства ряда теплоизоляционных материалов.

При тепловой изоляции цилиндрических поверхностей к выбору теплоизолирующего материала необходимо относиться весьма осторожно. Дело в том, что с увеличением толщины изоляции увеличивается не только полное термическое сопротивление, но растет и поверхность теплообмена, что приводит к возрастанию коэффициента теплопередачи. Отсюда, при нанесении теплоизоляции на цилиндрическую поверхность в некоторых случаях можно получить противоположный эффект - не снижение, а возрастание теплопередачи.

Аналитически доказывается, что изоляция на цилиндрической стенке будет выполнять свое назначение, если ее коэффициент теплопроводности соответствует условию

где α2 – коэффициент теплоотдачи со стороны изоляции; d2 – наружный диаметр изолируемой трубы.

Рассмотрим наиболее распространенные способы т е п л о з а щ и т ы. Стенки элементов конструкций, подверженные воздействию высокотемпературных теплоносителей, могут быть защищены от перегрева посредством конвективного и заградительного охлаждения или жаростойкими,

оплавляющимися и сублимирующимися покрытиями.

158