Использование биомассы

молекулярные.

Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную  среду

или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный  слой.

Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную

роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса.

Конвекцию необходимо учитывать при  проектировании теплообменников, систем

кондиционирования воздуха, высокоскоростных летательных аппаратов и многих

других устройств. Во всех подобных системах одновременно с конвекцией имеет

место теплопроводность, причем как  между твердыми телами, так и в  окружающей

их среде. При повышенных температурах существенную роль может играть и

лучистый теплообмен.

Под конвекцией понимают передачу теплоты при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты  происходит как бы механически - макрообъемными частицами потока теплоносителя. Конвективный теплоперенос имеет исключительно важное значение в химической технологии, поскольку от того, как осуществляется

подвод или отвод  теплоты, часто зависит и сама возможность проведения химико-технологических  процессов (большинство химических процессов, перегонка, сушка и многие другие). В реальных условиях конвекция  всегда сопровождается теплопроводностью (а иногда и тепловым излучением). Поэтому конвекция в теплообмен-ных аппаратах существенно усложняется вследствие образования у поверхности стенки пограничного слоя, в котором конвекция затухает. Поэтому под термином конвекция понимают только самый способ переноса теплоты потоками теплоносителя. Этот процесс отличается от реального, более сложного процесса переноса теплоты к стенке, в котором конвекция также принимает участие.

При турбулентном режиме частицы жидкости или газа, быстро двигаясь в поперечном сечении потока, не ударяются непосредственно о  стенку, а действуют на пограничный  слой и отдают ему свою теплоту. Дальнейшая передача теплоты стенке происходит в основном путем теплопроводности. При этом пограничный слой представляет собой основное сопротивление процессу. Такой вид переноса теплоты называют теплоотдачей. При ламинарном режиме пограничный слой как бы разрастается до заполнения всего сечения канала слоистой струёй, и конвекция сводится к одному направлению - параллельному стенке. При этом перенос теплоты к стенке определяется в основном теплопроводностью.

Теплопроводность и  конвекция-два совершенно различных физических процесса. Теплопроводность-явление молекулярное, конвекция-явление макроскопическое, при котором в переносе теплоты участвуют целые слои теплоносителя с разными температурами. Совершенно очевидно, что конвекцией теплота переносится намного быстрее, чем теплопроводностью, поэтому развитие турбулентности способствует ускорению конвективного переноса теплоты. Например, жидкость быстрее нагревается или охлаждается через стенку аппарата, снабженного мешалкой, чем в емкости с неподвижной жидкостью.

Наличие гидродинамического пограничного слоя вблизи поверхности  стенки приводит к возникновению  в нем большого перепада температур при теплопереносе (рис. 11-6), т.е. образованию  теплового пограничного слоя толщиной 5^, значение которой обычно не совпадает  с толщиной гидродинамического пограничного слоя 5,.. Очевидно, что высокие скорости теплоносителя, интенсивное перемешивание  вызывают как бы «сдирание» пограничных  слоев, улучшая этим условия теплоотдачи.

Теоретически толщину  пограничного теплового слоя можно  рассчитать только для простейших случаев  теплопереноса. Поэтому использование  уравнения теплопроводности Фурье

для описания процесса затруднительно, так как неизвестен закон распределения  температур -д1/дх в пограничном слое.

Теплоотдачу, так же как  и конвекцию, подразделяют на свободную, или естественную (движение жидкости происходит вследствие

Рис. 11-6. Гидродинамический  и тепловой пограничные слои в  турбулентном потоке

разности плотностей в разных точках жидкости), и вынужденную, или принудительную (движение жидкости происходит вследствие затраты на этот процесс энергии извне-с помощью  насоса, мешалки и т. п.)

Обычно расчет скорости процесса теплоотдачи осуществляют с помощью эмпирического закона охлаждения Ньютона, который в дальнейшем будем называть уравнением теплоотдачи'.

В этом уравнении а-коэффициент пропорциональности, или коэффициент теплоотдачи. При установившемся процессе для всей поверхности теплоотдачи F уравнение (11.31) принимает вид

Найдем размерность  коэффициента теплоотдачи:

Таким образом, коэффициент  теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя  к 1 м2 поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м1 к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1 град.

В отличие от коэффициента теплопередачи К коэффициент теплоотдачи а характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе. Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов:

режима движения и  физических свойств теплоносителя (вязкости, плотности, теплопроводности и т.д.), геометрических параметров каналов (диаметра, длины), состояния поверхности  омываемых теплоносителями стенок (шероховатая, полированная и т. п.). Таким образом, коэффициент теплоотдачи является функцией многих переменных, и простота уравнения (11.32) только кажущаяся, так как получить аналитическую зависимость для определения а очень сложно.

11.10. ТЕПЛООТДАЧА В  ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ

Теплоотдача при вынужденном  движении теплоносителей в трубах и  каналах. Обычно в теплообменник  аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чаще всего в технике формируется поверхность теплопередачи. Поэтому для расчета и рациональной эксплуатации теплообменников очень важно знание основных закономерностей переноса теплоты при движении теплоносителя в трубах.

При ламинарном движении теплоносителя, равномерном распределении  скорости и температуры на начальном  участке трубы у поверхности  стенки образуются (рис. 11-12, а) пограничные  слои толщиной 5,. (гидродинамический) и 5^ (тепловой). Толщина этих слоев  по мере удаления от входа увеличивается, и на некотором расстоянии, называемом длиной участка гидродинамической (1^) и тепловой (/,.) стабилизации, они смыкаются. При этом коэффициент теплоотдачи изменяется (рис. 11-12,6) от максимального значения на входе до практически неизменного после смыкания пограничных слоев. Явление резкого увеличения скорости переноса субстанции (в данном случае - теплоты) при входе потока в аппарат получило название «входной эффект». Очевидно, что для создания условий повышенных значений коэффициентов теплоотдачи целесообразно формировать теплообменники с длиной труб, незначительно превышающей /,..

При турбулентном движении теплоносителя влияние входного участка существенно зависит  от условий входа в трубу. Чем  больше эти условия способствуют увеличению возмущения потока (ввод теплоносителя  в трубу под большим углом, острые кромки на торце трубы и  т. п.), тем выше коэффициент теплоотдачи  на участке стабилизации. Однако для  турбулентных по-

Рис. 11-12. Формирование полей  скоростей w и температур t (а) и изменение коэффициента теплоотдачи а (б) на начальном участке труб при ламинарном движении теплоносителя

токов этот участок заметно  короче, чем для ламинарных, так  как при турбулентном режиме формирование пограничного слоя происходит значительно  быстрее. Поэтому при турбулентном режиме движения жидкости в трубах влияние входного эффекта наиболее существенно для коротких труб.

Для установившегося  турбулентного режима движения теплоносителя (при Re = 104 - 5-106) уравнение теплоотдачи имеет, например, следующий вид:

В уравнении (11.62) все  физические характеристики, входящие в критерии Re и Рг, подставляются при средних температурах теплоносителей, а в критерий РГст-при температуре стенки. Отношение критериев Рг/Рг" отражает влияние на коэффициент а направления теплового потока: при нагревании Рг" < Рг, и Рг/РГст > 1; при охлаждении Pr" > Рг, и Рг/РГст < 1. При невысоких разностях температур между теплоносителями значением Рг/РГст в уравнении (11.49) можно пренебречь. Для газов критерий Рг w 1, и отношение Рг/Рг^ также равно 1. Коэффициент е, =f(l/d) учитывает влияние на коэффициент теплоотдачи входного эффекта. Приближенно е, = 1 + 2/(l/d). При l/d> 15 имеем 8, = 1.

При движении теплоносителя  в изогнутых трубах (змеевиках) полученное по уравнению (11.39) значение а умножают на поправку, учитывающую дополнительную турбулизацию потока в местах изгиба труб:

где ^-внутренний диаметр трубы змеевика; D- диаметр витка змеевика.

Для переходного режима нет надежных уравнений расчета  коэффициента теплоотдачи. Приближенно для этого режима можно определить коэффициент теплоотдачи путем усреднения значений а, рассчитанных по уравнениям для турбулентного и ламинарного режимов или по зависимости

Для ламинарного течения  теплоносителя при вязкостно-гравитационном режиме (GrPr > 8-Ю5), при котором заметно влияние взаимного направления вынужденного движения и свободной конвекции, расчет а можно производить по следующему уравнению:

Определяющим размером в уравнениях (11.62)-(11.65) является диаметр  трубы или эквивалентный диаметр  d, сечения потока. Для ламинарного потока при I/ d > 50 е, = 1. Величина е, обычно близка к единице и для приближенных расчетов может не учитываться.

В приведенных выше уравнениях не учитывается влияние на величину а состояния теплообменной поверхности. Вместе с тем шероховатость при больших числах критерия Рейнольдса, когда

высота выступов неровностей  на поверхности теплообмена оказывается  больше толщины ламинарного пограничного слоя, может значительно интенсифицировать  турбулизацию потока и, как следствие, существенно увеличить коэффициент теплоотдачи при одновременном возрастании гидравлического сопротивления. На этой основе создают искусственную шероховатость теплообменной поверхности (например, в виде насечки), что при соотношении шага между соседними выступами и их высотой, равном 12-14, приводит к росту коэффициента теплоотдачи в 2-2,5 раза. При ламинарном режиме коэффициент теплоотдачи практически не зависит от шероховатости.

Другой способ интенсификации, не приводящий к существенному повышению  гидравлического сопротивления, заключается  в следующем. Путем выдавливания снаружи трубы с помощью специального устройства на внутренней стенке трубы  образуются небольшие по высоте (1-2 мм) выступы. Расстояние между выступами  равно диаметру трубы или несколько  меньше его. При турбулентном движении жидкости в потоке за зауженным участком трубы возникают вихри, которые  существенно турбулизуют пограничный слой и тем самым резко снижают его термическое сопротивление. При этом коэффициент теплоотдачи увеличивается в несколько раз. К конструктивным способам интенсификации процесса теплоотдачи можно отнести также использование различных вставок внутри труб, приводящих к завихрению потока, а также установку перегородок в межтрубном пространстве ко-жухотрубных теплообменников, с помощью которых увеличивают скорость движения жидкости и ее турбулизацию вследствие чередующегося изменения направления потока.

К эффективным технологическим  методам интенсификации теплообмена  относятся создание пульсации потока жидкости, а также проведение процесса в тонких каналах, при течении  жидкости в виде тонкой пленки и  др.

Теплоотдача при вынужденном  поперечном обтекании труб. Для того чтобы лучше понять зависимость  коэффициента теплоотдачи от гидродинамических  условий обтекания теплоносителем наружной поверхности труб, рассмотрим вначале поперечное обтекание одиночной  трубы, а затем-пучка труб. При поперечном обтекании трубы на лобовой части ее поверхности образуется ламинарный пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается (рис. 11-13). При обтекании лобовой части трубы сечение потока уменьшается, скорость жидкости увеличивается, а давление у поверхности падает. В кормовой части трубы давление увеличивается, так как скорость уменьшается; скорость жидкости в пограничном слое также снижается, а начиная с некоторого сечения частицы движутся в обратном направлении, образуя вихри, которые периодически отрываются с поверхности трубы и вносятся потоком (подробнее см. разд. 6.8). При этом соответственно изменяется значение локального коэффициента теплоотдачи по поверхности

Рис; 11-13. Схема поперечного  обтекания трубы теплоносителем:

а-при ламинарном пограничном слое; б-при гурбулентном пограничном слое; «-распределение скорости у поверхности трубы; г-изменение локального коэффициента теплоотдачи по поверхности цилиндра (/-Re = 70800; 2-Re = 219000)

(окружности) трубы (рис.  П-13,в,г). Максимальное значение а-на лобовой образующей трубы (угол (р = 0), где толщина пограничного слоя 5,- мала. Затем коэффициент теплоотдачи снижается за счет увеличения 5,-. Такой режим наблюдается при Re до 2-Ю5. При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса (при Re > 2-105) ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный, и точка отрыва перемещается в кормовую сторону трубы.

Локальный коэффициент  теплоотдачи при этом может иметь  два минимальных значения (рис. 11-13,г): од но-в точке перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный, другое-в точке отрыва от поверхности трубы турбулентного пограничного слоя. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании трубы предложены следующие уравнения:

В этих уравнениях за определяющий геометрический размер принят внешний  диаметр трубы, а в качестве определяющей температуры - средняя температура жидкости.

Трубчатые теплообменники обычно выполняют в виде пучка  трубок. Расположение трубок в этих теплообменниках может быть самым  разнообразным. Наиболее распространены шахматные и коридорные пучки (рис. 11-14). Обтекание трубы в пучке  отличается от обтекания одиночной  трубы тем, что расположенные