Что такое теплообмен двигателя

Тела, имеющие различные температуры, будут обмениваться тепловой энергией. Этот процесс называется теплообменом.

Теплообмен – процесс обмена тепловой энергией между телами, имеющими различные температуры.

Рассмотрим два тела, имеющие различные температуры (рис. 1).

Тело, имеющее более высокую температуру, будет остывать и отдавать тепловую энергию телу, имеющему низкую температуру. А тело с низкой температурой будет получать количество теплоты и нагреваться.

На рисунке, горячее тело имеет розовый оттенок, а холодное изображено голубым цветом.

Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.

Чтобы теплообмен происходил, нужно, чтобы тела имели различные температуры.

Когда температура тел выравняется, теплообмен прекратится.

Тепловое равновесие — это состояние, при котором тела имеют одинаковую температуру.

Гомеостаз

В XIX веке французский медик Клод Бернар (Claude Bernard) вывел принципы, которые затем легли в основу теории гомеостаза. Согласно этой теории живой организм образует единую энергетическую систему с окружающей средой и стремится сохранить постоянство своей внутренней среды.

Эволюция предложила разные варианты обеспечения гармонии между организмом и окружающей средой. Например, уже знакомая нам лягушка хладнокровно решила, что температура ее тела будет практически такой же, как у воды и воздуха вокруг нее. В результате лягушка нормально живет при температуре ее собственного лягушачьего тела от 0 до 25 градусов по Цельсию. Животные подобные лягушке при сильном понижении температуры способны впадать в анабиоз — состояние, когда жизнедеятельность организма замедляется почти до полной остановки. Некоторые из таких животных, например сибирский углозуб, даже зимуют в глыбе льда, замерзая до весны вместе с водой, в которой они плавали. Такой способ приспособления к условиям окружающей среды называется конформационным.

Сибирский углозуб может зимовать в глыбе льда, замерзая вместе с водой, в которой плавал

Человек, в отличие от лягушки, нормально функционирует только если температура его собственного тела постоянна и не изменяется вслед за температурой окружающей среды. Этот способ адаптации называется регуляторным и достигается с помощью развитой физиологической системы терморегуляции, управляющей теплообменом. Эта система следит за внутренней температурой организма человека, и если она отклоняется от нормальных 37 ºС в ту или другую сторону, то запускаются механизмы коррекции. Дрожание на холоде или потение в жару — внешние проявления работы таких механизмов.

У обоих вариантов гомеостаза есть свои преимущества и недостатки. Холоднокровные животные меняют «стиль жизни» в зависимости от внешних условий и могут переносить низкие температуры в течение длительного времени, снижая свою активность практически до нуля. Теплокровные, наоборот, тратят значительные силы на поддержание стабильной внутренней температуры тела, но это дает им возможность сохранять обычную активность при довольно широком диапазоне внешних температур.

Площадь теплообмена теплообменника

Теплообменники выпускаются регенеративного и рекуперативного типа. В последнем движущиеся среды разделены стенкой. Сегодня рекуперативными является большая часть теплообменников всевозможных конструкций. В другом виде холодные и горячие носители тепла контачат с одной и той же поверхностью теплообмена по череде. В них при контакте с горячим теплоносителем на стенке накапливается теплота, а при контакте с холодным теплоносителем она отдаётся.

Теплообмен – это процесс передачи тепла менее холодному теплоносителю. Именно на этом процесс сконструированы все теплообменники. Они нашли применение в химической, нефте-химической и нефтеперерабатывающей промышленности, в газовой, атомной, холодильной, коммунальном хозяйстве и быту.

Конструкция теплообменника зависит от сферы использования. Есть аппараты, в которых наряду с теплообменом протекают процессы смешения, испарения, конденсации и т.д.

Самые распространенные виды рекуперативных теплообменников в промышленности:

• Кожухотрубные — мб 20-30;
• Секционные — воздухоохладитель 2 воп-3;
• Витые;
• Погружные;
• Оросительные;
• Пластинчатые;
• Ребристые;
• Спиральные;
• Графитовые;
• Пластинчато-ребристые.

При выборе того или иного типа теплообменника следует учитывать условия эксплуатации. Так коэффициент теплопередачи пластинчатых устройств больше в три раза, чем у кожухотрубных, помимо этого меньше и в 4 раза поверхность теплообмена. Но в сравнении с иноземными пластинчатыми теплообменниками, отечественные кожухотрубные аналоги имеют свои преимущества: высокая надежность при гидравлическом ударе, меньшая стоимость. Это обеспечивается особой технологией нанесения на внутреннюю поверхность труб выступов небольшой высоты.

На этом я заканчиваю, а вы можете ознакомиться с образцами нашей продукции.

Наша продукция

1. трубные пучки — как на фото выше.
2. газоохладитель огп 50 для турбогенератора ТВ 60-2

Кроме теплообменников наш завод изготавливает мотор редуктор 2мч и водяное охлаждение электродвигателя.

Материал рубрики

• уравнение теплообмена

Прекрасного вам настроения, солнечных дней, заказов теплообменников на заводе МеталлЭкспортПром и Удачи!

Принцип работы теплообменника

Передняя и задняя плита имеют отверстия, которые подключаются к трубопроводу. По ним теплоноситель и теплопотребитель поступают внутрь агрегата.

Рис. 5. Движение сред внутри пакета пластин

Пристенный слой гофрированного типа, в условиях потока, имеющего большую скорость, начинает постепенно набирать турбулентность. Каждая среда перемещается на встречу друг другу с разных сторон пластины, чтобы избежать смешения.

Параллельно расположенные пластины формируют рабочие каналы. Перемещаясь по всем каналам, каждая среда производит тепловой обмен и покидает внутренние пределы оборудования. Это означает, что все пластины являются самым важным элементом среди всех деталей теплообменника.

Потоки внутри пластинчатого теплообменника могут идти по одноходовым и многоходовым схемам в зависимости от технических характеристик и условий решаемой задачи:

Рис. 6. Схемы движения теплоносителей в пластинчатом разборном теплообменнике в зависимости от принципа работы

Сопряженная теплопередача

В этой статье мы объясним, что такое сопряженная теплопередача, и продемонстрируем несколько примеров. Сопряженной теплопередачей называется теплообмен в твердых телах и жидкостях. В твердых телах основным способом теплопередачи является теплопроводность, а для жидкостей более характерна конвекция. Явление сопряженной теплопередачи проявляется во множестве ситуаций. Например, конструкция радиатора оптимизируется для того, чтобы объединить теплопередачу посредством теплопроводности материала, из которого изготовлен радиатор, и конвекцию окружающей его жидкости.

Теплопередача в твердых телах и жидкостях

Теплопередача в твердом теле

В большинстве случаев теплопередача в твердых телах, вызванная исключительно теплопроводностью материала, описывается законом Фурье, согласно которому плотность теплового потока, q, пропорциональна градиенту температуры: q=-knabla T .

Для нестационарной задачи поле температуры в неподвижном твердом теле следует уравнению теплопроводности в следующей форме:

rho C_

frac=nabla cdot (knabla T) +Q

Теплопередача в жидкости

Из-за движения жидкости в уравнение добавляются еще три слагаемых:

1. Перемещение жидкости также предполагает передачу энергии, что проявляется в виде конвекционной составляющей в уравнении теплового баланса. В зависимости от тепловых характеристик жидкости и режимов потока может преобладать теплопередача посредством либо конвекции, либо теплопроводности.
2. Вязкостные явления в потоке жидкости приводят к ее нагреву. Диссипативным эффектом часто пренебрегают, однако в высокоскоростных потоках вязких жидкостей его влияние может быть существенно.
3. Поскольку плотность жидкости зависит от температуры, в уравнение теплового баланса добавляется новое слагаемое — работа давления. Примером может служить хорошо известный пример образования тепла при сжатии воздуха.

Учет теплопроводности и слагаемых, описывающих перечисленные механизмы, приводит к следующему нестационарному уравнению теплопроводности для поля температуры в жидкости:

Прикладные задачи, связанные с сопряженной теплопередачей

Высокоэффективная теплопередача

Возможность эффективного объединения процессов теплопередачи в твердых телах и жидкостях является ключевой для проектирования высокоэффективных охладителей, нагревателей и теплообменников.

Обычно для передачи теплоты на большие расстояния используются жидкие теплоносители. Самым распространенным способом обеспечения высокой интенсивности теплопередачи является вынужденная конвекция. В некоторых случаях рабочие характеристики подобных устройств становятся еще лучше благодаря сочетанию конвекции и фазовых переходов (например, кипения воды).

Несмотря на это, в теплообменнике также нужны твердые тела, которые разделяют жидкости и позволяют им передавать тепло, но не смешиваться друг с другом.

Поле течения и температуры в кожухотрубном теплообменнике демонстрирует процесс теплопередачи между двумя разделенными тонкой металлической стенкой жидкостями.

Радиаторы обычно изготавливают из металла, обладающего высокой теплопроводностью (например, меди или алюминия). Они рассеивают тепло, увеличивая площадь поверхности теплообмена между твердотельной частью конструкции и окружающей ее жидкостью.

Поле температуры в блоке питания. Температура снижается за счет охлаждения воздухом, продуваемым с помощью вентилятора и перфорированной решетки. Два алюминиевых ребра используются для увеличения площади поверхности теплообмена между потоком воздуха и электронными компонентами.

Энергосбережение

Процессы теплообмена в жидкостях и твердых телах также могут быть объединены для сокращения тепловых потерь в различных устройствах. Поскольку большинство газов (особенно при низком давлении) обладают малой теплопроводностью, они могут использоваться для теплоизоляции… если только они не находятся в движении. Чаще всего именно газы выбирают в качестве изоляционного материала из-за их малой плотности. В любом случае важно ограничить теплопередачу посредством конвекции, уменьшая интенсивность свободной конвекции. Продуманное размещение перегородок и небольших полостей позволяет регулировать свободную конвекцию. Применение этих же принципов в микроскопических масштабах приводит к идее теплоизолирующей пены, в которой небольшие воздушные полости (пузырьки) заключены внутри пенистого материала (например, полиуретана), что обеспечивает прекрасные изоляционные характеристики материала и его малый вес.

Поперечное сечение окна (слева) и увеличенная область оконной рамы (справа).

Показатели температуры в оконной раме и поперечном сечении остекления согласно стандарту ISO 10077-2:2012 (тепловые характеристики окон).

Взаимодействие твердых тел и жидкостей

Граница жидкости и твердого тела

Поле температуры и тепловой поток на границе взаимодействия жидкости и твердого тела остаются непрерывными. Однако поле температуры может быстро изменяться в движущейся жидкости: у поверхности твердого тела температуры жидкости и твердого тела близки; чем дальше от границы, тем ближе температура жидкости к температуре на входе или к температуре окружающей среды. Расстояние, на котором температура жидкости изменяется от температуры твердого тела до температуры окружающей среды, называется тепловым пограничным слоем. Относительные размеры теплового и динамического пограничных слоев отражаются в величине числа Прандтля (Pr=C_p mu/k) : для того чтобы оно было равно единице, толщины теплового и динамического пограничных слоев должны совпадать. Более толстый динамический погранслой приводит к тому, что число Прандтля становится больше единицы. Верно и обратное: при числе Прандтля меньше единицы толщина теплового пограничного слоя превышает толщину динамического пограничного слоя. Число Прандтля для воздуха при атмосферном давлении и 20 °C равняется 0,7. Это объясняется тем, что для воздуха размеры динамического и теплового пограничного слоев схожи, при этом толщина динамического погранслоя чуть меньше толщины теплового. Для воды при температуре 20 °C число Прандтля составляет около 7, поэтому в воде изменение температуры рядом со стенкой происходит быстрее, чем изменение скорости.

Нормализованные профили температуры ( красный ) и скорости ( синий ) для свободной конвекции воздуха рядом с холодной твердой поверхностью.

Свободная конвекция

Свободная конвекция возникает тогда, когда жидкость приводится в движение силами плавучести. В зависимости от ожидаемых тепловых характеристик естественная конвекция может быть как полезной (например, в случае охлаждения), так и нежелательной (например, свободная конвекция в слое термоизоляции).

Число Рэлея, обозначаемое как Ra , используется для определения режима течения, обусловленного свободной конвекцией и сопутствующей теплопередачей. Число Рэлея определяется теплофизическими свойствами жидкости, характерными размером L и разностью температур Delta T , обычно задаваемой окружающими твердыми телами:

Число Грасгофа — еще один показатель режима течения, представляющий собой отношение сил плавучести и вязкостных сил.

Число Рэлея может быть выражено через числа Прандтля и Грасгофа как Ra=Pr Gr .

Когда величина числа Рэлея невелика (обычно 3 ), явлением свободной конвекции можно пренебречь, так как теплопередача происходит посредством теплопроводности жидкости. Для больших значений числа Рэлея необходимо учитывать теплопередачу посредством конвекции.

Когда силы плавучести значительно выше вязкостных сил, режим потока становится турбулентным, в противном случае поток остается ламинарным. На переход между двумя данными режимами указывает критическое значение числа Грасгофа, величина которого составляет 10 9 . Толщину теплового пограничного слоя можно вычислить приближенно при условии, что известно характерное расстояние перепада температуры между твердой стенкой и объемом жидкости: delta_mathrmapprox frac> , когда Pr по порядку равно или больше единицы.

Профиль температуры при свободной конвекции в стакане холодной воды, контактирующем с горячей поверхностью .

Вынужденная конвекция

При вынужденной конвекции поток приводится в движение воздействием внешних сил (например, ветра) или устройств (например, вентиляторов или насосов), которые преобладают над силами плавучести.

В этом случае режим потока может быть охарактеризован, аналогично изотермическому потоку, числом Рейнольдса Re= frac . Число Рейнольдса представляет отношение инерционных и вязкостных сил. При малых значениях числа Рейнольдса преобладают вязкостные силы, соответственно, поток ламинарный. При высоких значениях числа Рейнольдса силы внутреннего трения в системе невелики, благодаря чему наблюдаются незначительные возмущения. В случае если значение числа Рейнольдса будет достаточно высоким, поток перейдет в турбулентный режим.

Оценить толщину динамического пограничного слоя можно с помощью числа Рейнольдса delta_mathrm approx frac> .

Линии тока и профиль температуры вокруг радиатора, охлаждаемого вынужденной конвекцией.

Теплопередача посредством излучения

Теплопередачу посредством излучения можно объединить с описанными выше явлениями теплопроводности и конвекции. В большинстве случаев жидкость прозрачна для теплового излучения, в то время как твердые тела остаются непрозрачными. Соответственно, теплопередача посредством излучения может быть представлена в виде межповерхностного излучения, передающего энергию между твердотельными стенками сквозь прозрачные для излучения полости. Тепловой поток, передаваемый за счет излучения рассеивающей серой поверхности, равен varepsilon n^2 sigma T^4 . Когда поверхность находится в окружении тел с однородной температурой T_mathrm , результирующий тепловой поток равен q_mathrm = varepsilon n^2 sigma (T_mathrm^4-T^4) . Когда окружающие поверхности имеют различную температуру, теплообмен определяется угловыми коэффициентами.

Несмотря на это, как жидкости, так и твердые тела могут быть прозрачными или полупрозрачными. Таким образом, излучение может возникнуть и в жидкости, и в твердых телах. В активных (или недиатермических) средах излучение взаимодействует со средой (твердым телом или жидкостью), которая поглощает, испускает или рассеивает энергию.

Несмотря на то, что при небольшой разнице температур и малой излучательной способности можно пренебречь теплопередачей посредством излучения, она играет ключевую роль в прикладных задачах со значительными перепадами температур или сильно выраженной излучательной способностью.

Сравнение показателей температуры для радиатора с поверхностной излучательной способностью varepsilon = 0 (слева) и varepsilon = 0,9 (справа).

Заключение

В большей части практических задач процессы теплопередачи в твердых телах и жидкостях объединены. Причина этого в том, что, как правило, рассматриваемые жидкости обтекают твердые тела или текут между твердых стенок, а твердые тела, в свою очередь, обычно погружены в жидкость. Точное описание режимов теплопередачи, свойств материала, режимов течения и конфигураций геометрии позволяет выполнять анализ полей температуры и процессов теплопередачи. Подобное описание служит также отправной точкой для численного моделирования, которое может использоваться для расчета явлений теплопередачи или для проверки различных конфигураций конструкции для улучшения тепловых характеристик того или иного изделия.

Примечания

C_

: теплоемкость при постоянном давлении (единицы СИ: Дж/(кг⋅K))

g : ускорение свободного падения (единицы СИ: м/с 2 )

Gr : число Грасгофа (безразмерная величина)

k : теплопроводность (единицы СИ: Вт/(м⋅K))

L : характерный размер (единицы СИ: м)

n : показатель преломления (безразмерная величина)

Pr : число Прандтля (безразмерная величина)

q : плотность теплового потока (единицы СИ: Вт/м 2 )

Q : объемный источник теплоты (единицы СИ: Вт/м 3 )

Ra : число Рэлея (безразмерная величина)

S : тензор скоростей деформации (единицы СИ: 1/с)

T : поле температуры (единицы СИ: K)

T_mathrm : температура окружающей среды (единицы СИ: K)

bold : поле скорости (единицы СИ: м/с)

U : характерная величина скорости (единицы СИ: м/с)

alpha_

: коэффициент теплового расширения (единицы СИ: 1/K)

delta_mathrm : толщина инерционного граничного слоя (единицы СИ: м)

delta_mathrm: толщина теплового слоя (единицы СИ: м)

Delta T : характерная разность температур (единицы СИ: K)

varepsilon : излучательная способность поверхности (безразмерная величина)

rho : плотность (единицы СИ: кг/м 3 )

sigma : постоянная Стефана — Больцмана (единицы СИ: Вт/(м 2 ⋅К 4 ))

tau : тензор вязких напряжений (единицы СИ: Н/м 2 )

Разновидности поверхностных теплообменников

Простейший т/о – труба в трубе. Холодная трубка с водой проходит в трубе большего сечения, заполненной горячим агентом. При этом поверхность внутренней трубки нагревается и передает тепло воде. Так работают бойлеры. Если трубок много и собраны они в пучок, то получается кожухотрубный теплообменник. Аппараты с трубным пучком, закрепленном с торцов решетками, распространены в промышленности и применяются для бытовой водоподготовки.

Витые теплообменники представляют змеевики, навитые в корпусе. Межтрубное пространство заполняется другим потоком. Аппаратура применяется при высоком давлении одного из агентов.

Двухтрубные теплообменники применяются для передачи тепла в фазах газ-жидкость. Аппараты могут работать под давлением с высокой теплопередачей.

Спиральный т/о

Спиральные теплообменники представляют бочку, в которой лентой-спиралью расположен плоский лабиринт с внутренней полостью. По спирали движется горячий агент, омываемый холодной водой. Конструкция сложная в изготовлении. Но это единственный вид аппаратов для теплообмена агента, содержащего взвеси, пульпу. Откидывающиеся с обеих сторон крышки позволяют легко чистить зазоры.

Пластинчатый теплообменник представляет особую конструкцию греющих труб, собранных в виде плоского элемента их оребренных труб и многоходовым движением воды. Пластины напоминают гармошки. Их недостаток – забиваются накипью при плохой водоподготовке.

Зачем нужен теплообменник в системе отопления? Представьте, что в трубах вода 900. Это приведет к разрыву пластиковых труб, ожогам. В каждом тепловом узле имеется система т/о, позволяющая поддерживать температурные параметры.

Что такое трубчатые теплообменники?

Трубчатые теплообменники — это один из многих типов теплообменников, которые представляют собой устройства, предназначенные для облегчения нагрева и охлаждения путем передачи тепла от одного газообразного или жидкого вещества к другому.

В частности, трубчатые теплообменники, также известные как кожухотрубные теплообменники, предназначены для передачи тепловой энергии от одной жидкости к другой. Трубчатые теплообменники состоят из серии трубок внутри кожуха или большого сосуда высокого давления.

Они популярны в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, пищевая промышленность, отопление и охлаждение, фармацевтика и обработка отходов.

При изготовлении трубчатых элементов теплообменников производители могут выбирать из множества вариантов типов.

Первый выбор, доступный производителям, — это выбор материала. Самым важным аспектом материала трубки является его теплопроводность. Материал должен иметь отличную теплопроводность, потому что трубки будут передавать тепло и из-за их тенденции к тепловым напряжениям.

Кроме того, производители должны также учитывать, что для предотвращения коррозии материал трубки должен выдерживать длительные перекачки жидкостей как со стороны трубы, так и со стороны оболочки, независимо от условий эксплуатации.

Такие теплопроводящие, прочные и устойчивые к коррозии материалы, как эти, включают металлы и полимеры, такие как нержавеющая сталь, углеродистая сталь, сплавы цветной меди,здесь ), никель, инконель, хастеллой, титан, перфторалкоксиалкан (PFA), фторированный этиленпропилен (FEP) и другие фторполимеры.

Некоторые из типов трубок, которые могут быть реализованы в трубчатых теплообменниках, включают: U-образные трубы, которые изогнуты в U-образной форме, и гладкие или оребренные в продольном направлении трубы, которые могут быть либо в пучке, либо в комплекте, прямые или U-образные трубки.

Конструкции трубчатых теплообменников

Трубчатые теплообменники могут быть изготовлены по одной из трех основных конструкций. Это: U-образные теплообменники, прямотрубные теплообменники и спиральные теплообменники. Однако, кроме формы трубы, конструкция одного теплообменника не сильно отличается от другого.

Внутри кожуха трубчатых теплообменников находится вышеупомянутый пучок труб. В этом пучке одна трубка содержит жидкость, которую необходимо нагреть или охладить, называемую поступающей жидкостью, а другая трубка содержит жидкость, предназначенную для передачи энергии нагрева или охлаждения.

Схема трубчатого теплообменника

Эта последняя жидкость известна как выходящая жидкость. Для успешной передачи тепловой энергии от одной жидкости к другой вторая трубка проходит по первой, и их разделяют только стенки трубки. Стенки трубки действуют как металлические перегородки и проводники между двумя жидкостями.

Кроме того, площадь поверхности стенок трубы напрямую влияет на эффективность и скорость; Чем больше площадь поверхности стенки трубы, тем эффективнее и быстрее теплопередача. С трубчатыми теплообменниками,

В конструкции U-образных теплообменников пучок трубок используется для размещения жидкости на его внешней поверхности. Чтобы направлять жидкость в пучок труб, теплообменник с U-образной трубкой имеет головку, прикрепленную болтами к корпусу.

С другой стороны, прямотрубные теплообменники позволяют им обмениваться тяжелыми текучими средами, а также работать с приложениями, в которых возникают перекрестные температурные условия. Наконец, как следует из их названия, спиральные теплообменники имеют спиральные тела.

Эти тела существуют внутри оболочки теплообменника. Они состоят из двух плоских поверхностей, обычно металлических полос с приваренными распорными штифтами, которые либо свернуты, либо намотаны вокруг центрального сердечника. для образования двух спиральных каналов или спиральной конфигурации.

Чтобы обеспечить их хорошую работу, разные стороны каждого из каналов приварены двумя коническими или плоскими прокладочными крышками, прикрепленными болтами к сторонам спирального корпуса.

Применение трубчатых теплообменников

Благодаря своей конструкции трубчатые теплообменники чрезвычайно долговечны. Эта долговечность является важной характеристикой этих теплообменников, потому что они, во-первых, спроектированы так, чтобы исключить любой прямой контакт или смешивание между жидкостями, и, во-вторых, они обычно используются при высоких температурах и высоких давлениях.

Трубчатые теплообменники настолько часто используются для высоконагруженных систем теплообмена жидкости, что считаются наиболее часто используемым типом теплообменников.используется в крупных химических процессах и нефтеперерабатывающих заводах.

Таким образом, производители трубчатых теплообменников предлагают множество различных модификаций базовой модели для различных применений. К таким приложениям относятся: кондиционирование воздуха, охладители проб котлов, горячие ванны, маслоохладители, отвод технологического тепла, охладители трансмиссии и двигателя, а также рекуперация тепла сточных вод.

В частности, спиральные теплообменники невероятно хорошо подходят для применений, связанных со спиртом, химической обработкой, пищевой, нефтегазовой, горнодобывающей, фармацевтической, очисткой сточных вод и другими жидкостями, которые могут содержать твердые частицы.

Принцип работы и схема трубчатого теплообменника