Теплообменник

Теплообменники — это устройства, предназначенные для передачи тепла между двумя или более текучими средами, то есть жидкостями, парами или газами, с разной температурой. В зависимости от типа используемого теплообменника процесс передачи тепла может быть газ-газ, жидкость-газ или жидкость-жидкость и происходить через твердый сепаратор, который предотвращает смешивание жидкостей или прямой контакт с жидкостью. Другие конструктивные характеристики, включая конструкционные материалы и компоненты, механизмы теплопередачи и конфигурации потоков, также помогают классифицировать и классифицировать типы доступных теплообменников. Находя применение в широком спектре отраслей промышленности, широкий выбор этих теплообменных устройств спроектирован и изготовлен для использования как в процессах нагрева, так и охлаждения.

Эта статья по ссылке посвящена теплообменникам, в ней рассматриваются различные доступные конструкции и типы, а также объясняются их соответствующие функции и механизмы. Кроме того, в этой статье излагаются соображения по выбору и общие области применения для каждого типа теплообменного устройства.

Термодинамика теплообменника

Проектирование теплообменника — это упражнение в термодинамике, которая является наукой, которая имеет дело с потоком тепловой энергии, температурой и отношениями к другим формам энергии. Чтобы понять термодинамику теплообменника, хорошей отправной точкой является изучение трех способов передачи тепла – теплопроводности, конвекции и излучения. В нижеприведенных разделах представлен обзор каждого из этих режимов теплопередачи.

Проводимость

Теплопроводность — это передача тепловой энергии между материалами, которые находятся в контакте друг с другом. Температура является мерой средней кинетической энергии молекул в материале – более теплые объекты (с более высокой температурой) демонстрируют большее молекулярное движение. Когда более теплый объект приводится в контакт с более холодным объектом (с более низкой температурой), происходит передача тепловой энергии между двумя материалами, при этом более холодный объект получает больше энергии, а более теплый объект получает меньше энергии. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Скорость, с которой тепловая энергия передается в материале за счет теплопроводности, определяется следующим выражением:

 

 

Теплопередача средний_проводимости equation.jpg - 2 минуты назад

 

В этом выражении Q представляет количество тепла, переданного через материал за время tΔT — разность температур между одной стороной материала и другой (температурный градиент), A — площадь поперечного сечения материала, а d — толщина материала. Постоянная k известна как теплопроводность материала и зависит от внутренних свойств материала и его структуры. Воздух и другие газы, как правило, имеют низкую теплопроводность, в то время как неметаллические твердые вещества имеют более высокие значения, а металлические твердые вещества, как правило, имеют самые высокие значения.

Конвекция

Конвекция — это передача тепловой энергии с поверхности посредством движения жидкости, такой как воздух или вода, которая была нагрета. Большинство жидкостей расширяются при нагревании и, следовательно, становятся менее плотными и поднимаются по сравнению с другими частями жидкости, которые являются более холодными. Таким образом, когда воздух в помещении нагревается, он поднимается к потолку, потому что он более теплый и менее плотный, и передает тепловую энергию при столкновении с более холодным воздухом в помещении, затем становится более плотным и снова опускается к полу. Этот процесс создает естественный или свободный конвекционный ток. Конвекция также может происходить за счет так называемой принудительной или вспомогательной конвекции, например, когда нагретая вода прокачивается по трубе, например, в гидравлической системе отопления.

Для свободной конвекции скорость передачи тепла выражается законом охлаждения Ньютона:

 

 

Теплопередача Среды_конвекции equation.jpg - 2 минуты назад

 

 

Где Q-точка — скорость передачи тепла, hc — коэффициент конвективной теплопередачи, A — площадь поверхности, на которой происходит процесс конвекции, и ΔT — разность температур между поверхностью и жидкостью. Коэффициент конвективной теплопередачи hc является функцией свойств жидкости, аналогичной теплопроводности материала, упомянутого ранее в отношении теплопроводности.

Радиация

Тепловое излучение — это механизм передачи тепловой энергии, который включает в себя излучение электромагнитных волн от нагретой поверхности или объекта. В отличие от теплопроводности и конвекции, тепловое излучение не требует промежуточной среды для переноса энергии волны. Все объекты, температура которых выше абсолютного нуля (-273,15 ° C), излучают тепловое излучение в типично широком спектральном диапазоне.

Чистая скорость потерь радиационного тепла может быть выражена с использованием закона Стефана-Больцмана следующим образом:

 

 

Теплопередача среды_радиации equation.jpg - минуту назад

 

где Q — теплопередача в единицу времени, th  температура горячего объекта (в абсолютных единицах, Ok), tc — температура более холодного окружения (также в абсолютных единицах, Ok), σ — постоянная Стефана-Больцмана (значение которой равно 5,6703 x10-8 Вт/ м2 К 4). Термин, представленный ε, представляет собой коэффициент излучения материала и может иметь значение от 0 до 1, в зависимости от характеристик материала и его способности отражать, поглощать или пропускать излучение. Это также зависит от температуры материала.

Яндекс.Метрика