Теплообменники часть 3

С теплопроводностью стенки теплообменника разобрались.
Если она тонкая и сделана из любого металла, то температурный перепад на ней до того незначительный, что в нашем (теплонасосном) случае им можно просто пренебречь, ибо теплопроводность стенки существенно (в сотни и тысячи раз) выше теплопроводностей тех сред, которые собственно и обмениваются теплом.

Можно привести пример.
В теплообменнике, скажем с коэффициентом теплопередачи 1000 Вт/м2 на градус и среднем температурном напоре 20 градусов, тепловой поток составит 20 000 Вт/м2.
На стенке из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм температурный перепад будет
20000 / (50/0,0005) = 0,2 градуса.
На медной стенке толщиной 1 мм перепад будет в четыре раза меньше, около 0,05 градуса.
И то и другое по сравнению с 20 градусами среднего теплового напора теплообменника просто мизер.
При использовании теплообменников в тепловых насосах тепловой напор стараются делать еще меньше,
следовательно перепад на стенке тоже будет ниже.

Идем далее.
Какие еще параметры влияют на теплопередачу, кроме уже рассмотренного коэффициента теплопроводности и разности температур?
Сразу отметим, что из трёх основных способов теплообмена - теплопроводности, излучения и конвекции,
излучение мы учитывать не будем.
Хотя в нашем случае тепловое излучение тоже участвует в теплообмене, перепады температур в теплообменниках тепловых насосах незначительные, поэтому доля его мала и забивать голову пока не стоит.
Остается еще конвекция. В переводе с латинского означает "доставка".
Для того, чтобы происходила конвекция (доставка) тепла необходимо перемещение среды.
Вот это основной путь теплопереноса в наших низкотемпературных теплообменниках с движущейся средой.
Притом от стенки теплообменника к среде (жидкости или газу) при непосредственном контакте теплота передается посредством теплопроводности, вглубь вещества тоже передается теплопроводностью, а в другое место дальше по течению переносится конвекцией.
Если течение происходит параллельными струями без перемешивания, а так и происходит перемещение жидкостей и газов до определенной скорости потока, то теплота от нагретой стенки вглубь движущейся среды передается только теплопроводностью.
Так как теплопроводность наших жидкостей и газов небольшие, процесс идет медленно и нужна значительная протяженность пробега потока вдоль стенки, чтобы жидкость или газ прогрелись по всему объему.
Что нужно сделать, чтобы этот процесс ускорить?
Для твердых веществ - увеличивать тепловой поток, увеличивая разницу температур (тепловой напор)
или уменьшать толщину (сечение) перпендикулярно тепловому потоку.
Для жидких и газообразных дополнительно, кроме увеличения температурного напора и уменьшения сечения потока, есть и другой способ - перемешивать движущиеся слои.
Для этого требуется увеличить скорость потока, чтобы жидкость или газ начали перемешиваться.
Процесс течения без перемешивания называется ламинарным, с перемешиванием турбулентным.
При турбулентном течении из-за перемешивания резко увеличивается тепломассообмен между слоями и для прогрева всего объема движущейся жидкости или газа требуется значительно меньшая длина пробега вдоль греющей стенки, даже несмотря на увеличение скорости.
Вот основные методы интенсификации теплообмена - уменьшение сечение потока и увеличение скорости для достижения турбулентного течения и лучшего перемешивания.