Рассматривается влияние конструкционного материала теплообменных труб и контактного термического сопротивления теплопередающей поверхности на интенсивность теплообмена. Предлагается подход к определению контактного термического сопротивления. Показана необходимость учета контактного термического сопротивления при проектировании теплообменных аппаратов
теплообмен, контактное термическое сопротивление, теплообменные трубы, биметалл
Аппараты воздушного охлаждения (АВО) широко применяются для конденсации паров и охлаждения высокотемпературных сред на пожаро- и взрывоопасных предприятиях, поскольку существенная доля теплоты в них отводится посредством естественной конвекции атмосферного воздуха, что является значимым для предотвращения аварийных ситуаций [1].
Как правило, коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности труб к воздуху значительно меньше коэффициента теплоотдачи от технологической среды к внутренней поверхности труб. Поэтому, для повышения эффективности АВО за счет увеличения площади поверхности теплообмена и коэффициента теплоотдачи от теплообменной поверхности к воздуху, наружную поверхность теплообменных труб выполняют оребренной. Кроме того, в качестве конструкционного материала теплообменных труб целесообразно применять алюминий, обладающий высоким коэффициентом теплопроводности λ при сравнительно малой плотности ρ (таблица 1). Также используются биметаллические трубы, состоящие из внутренней гладкой стальной или латунной трубы и наружной алюминиевой оребренной трубы [2, 3].
При использовании биметалла, в микроскопическом зазоре между внутренней и наружной трубами, заполненном воздухом, возникает дополнительное контактное термическое сопротивление 
, величину которого можно определить аналитически с учетом ряда допущений: твердые поверхности труб соприкасаются только вершинами профилей шероховатостей; площадь поверхности контакта пренебрежимо мала и весь тепловой поток проходит через воздушный зазор между соприкасающимися слоями; толщина зазора 
в среднем вдвое меньше максимального расстояния между впадинами шероховатостей 
.
Таблица 1
Сравнение свойств конструкционных материалов труб АВО
|
Конструкционный материал |
λ, Вт/(м∙К) |
ρ, кг/м3 |
|
Алюминий |
203,5 |
2700 |
|
Латунь |
93 |
8500 |
|
Углеродистая сталь |
46,5 |
7850 |
|
Нержавеющая сталь |
17,5 |
7900 |
Например, при контакте новых и гладких труб – стальной бесшовной без покрытия (
) и алюминиевой (
):
Принимая коэффициент теплопроводности воздуха 
, выразим контактное термическое сопротивление биметаллической трубы:
Полученное значение эквивалентно термическому сопротивлению слоя алюминия толщиной 630 мм, латуни толщиной 286 мм, углеродистой стали толщиной 145 мм или нержавеющей стали толщиной 54 мм.
Очевидно, что при расчетах и проектировании теплообменного оборудования с использованием биметаллических материалов необходимо учитывать контактное термическое сопротивление. При изготовлении изделий из биметаллов для уменьшения контактного термического сопротивления следует либо уменьшать шероховатость сопрягаемых поверхностей, что потребует значительных затрат на механическую обработку и приведет к существенному увеличению стоимости оборудования, либо заполнять зазоры между слоями каким-либо материалом с высоким коэффициентом теплопроводности.
1. Щербин, С.А. Основы теории теплообмена и теплообменные аппара-ты: учебное пособие / С.А. Щербин. - Ангарск: АГТА, 2014. - 162 с.
2. Щербин, С.А. Теплоотдача от наружной поверхности труб в аппаратах воздушного охлаждения / С.А. Щербин, И.А. Никитина // Вестник АнГТУ. - 2017. - № 11. - С. 115-118.
3. Щербин, С.А. Способ повышения эффективности воздушного конден-сатора пропана / С.А. Щербин, А.О. Коряченко // Современные технологии и на-учно-технический прогресс. - 2022. - С. 89-90.
