Коэффициент теплопередачи парового калорифера

При теплоотдаче от пара к стенке перенос тепла осуществляется в момент соприкосновения движущегося парового потока с охлаждаемой внутренней поверхностью. Пар оседает на более холодной стенке и уплотняется в тонкую жидкую пленку. По мере протекания процесса по всей длине стенок труб постепенно формируется сплошная пленка конденсата, покрывающая поверхность теплообмена со стороны парового пространства калорифера. Тепловая энергия фазового перехода, выделяющаяся на внешней границе конденсатной пленки, непрерывно отводится к охлаждаемой стенке. Под действием силы тяжести эта пленка стекает вниз, обеспечивая непрерывное обновление конденсата и постоянное выделение теплоты фазового перехода.

При пленочной конденсации термическое сопротивление собственно паровой фазы относительно мало; основное сопротивление теплопередаче создает именно слой конденсата. Внутри трубок паровой объем ограничен их стенками, и на границе раздела пар–конденсат возникает динамическое взаимодействие. Движение пара по трубкам сопровождается силами трения на границе фаз, которые заметно влияют на характер теплоотдачи. При вертикальной установке парового калорифера направление движения пара совпадает с направлением стекания конденсата, трение способствует ускорению течения пленки, уменьшению ее толщины и, как следствие, увеличению коэффициента теплопередачи.

Негативное влияние на теплоотдачу оказывает присутствие в паре воздуха или других неконденсирующихся газов. Это приводит к тому, что газы остаются в приповерхностной зоне, накапливаясь у стенки и образуя воздушную прослойку на поверхности пленки конденсата. Такая газовая пленка существенно затрудняет подвод свежего пара к поверхности, резко снижает скорость конденсации и, соответственно, интенсивность теплоотдачи. Завоздушивание парового пространства фактически уменьшает активную теплопередающую поверхность воздухонагревателя, что приводит к падению его теплопроизводительности.

При нагреве воздуха паром условия теплопередачи по обе стороны разделяющей их стенки заметно различаются. Коэффициент теплоотдачи со стороны греющего пара к стенке многократно превышает теплоотдачу со стороны нагреваемого воздуха от стенки к потоку. Для интенсификации теплообмена и компенсации сравнительно низких коэффициентов теплоотдачи со стороны воздушного потока при производстве паровых калориферов используются теплопередающие элементы с развитой оребренной поверхностью.

На эффективность работы парового теплообменника заметно влияют как материал труб и оребрения, так и качество контакта между ними. Чем выше коэффициент теплопроводности материала оребрения, тем выше достигаемый коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве. Для уменьшения теплового сопротивления и повышения общей теплопроводности при изготовлении теплообменных элементов нашим предприятием используется сплав алюминия с высокой степенью чистоты и коррозионной стойкости. Жесткое прилегание ребер к трубам обеспечивает надежный тепловой контакт и снижает дополнительные потери при передаче тепла от стенки металлической трубки к алюминиевой рубашке с ребрами. Применение биметаллических нагревательных элементов в трубных пучках калорифера является оправданным как с точки зрения интенсификации теплообмена, так и с позиции улучшения массовых и конструктивных характеристик обогревателя в целом.

В отличие от ряда других отопительных приборов, калориферы специально предназначены для работы в условиях принудительной конвекции воздуха, поэтому прирост коэффициентов теплообмена при увеличении скорости воздушного потока между ребрами играет ключевую роль. Коэффициент теплопередачи в воздухонагревателях с оребренными трубками определяется особенностями гидродинамики потока в межтрубном пространстве. В спирально-накатных теплообменниках воздушный поток, обтекающий пучок труб, поочередно входит в межреберные каналы отдельных трубок. При натекании воздуха на ребро на его кромке каждый раз зарождается пограничный слой, который разрушается в зоне схода потока с ребра. Это же действие повторяется на каждом последующем ребре вдоль направления движения воздуха. Такое многократное формирование и срыв пограничного слоя приводит к его периодическому обновлению и, как следствие, к интенсификации конвективного теплообмена и росту коэффициента теплоотдачи. Шахматная компоновка спирально-оребренных труб способствует турбулизации воздушного потока, усиливает перемешивание в межтрубном пространстве, и дополнительно увеличивает коэффициент теплопередачи.