Конвективный теплообмен (теплоотдача)

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 6Следующая ⇒

Конвективный теплообмен – процесс переноса тепла, происходящий в движущихся текучих средах (жидкостях либо газах) и обусловленный совместным действием двух механизмов переноса тепла — собственно конвективного переноса и теплопроводности. Таким образом, в случае К. т. распространение тепла в пространстве осуществляется за счёт переноса тепла при перемещении текучей среды из области с более высокой температурой в область с меньшей температурой, а также за счёт теплового движения микрочастиц и обмена кинетической энергией между ними. Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи, равным отношению плотности теплового потока на поверхности раздела к температурному напору между поверхностью теплообмена и средой (теплоносителем).

От поверхности твердого тела к потоку жидкости теплота распространяется через пограничный слой за счет теплопроводности, от пограничного слоя в ядро потока жидкости или газа — в основном конвекцией. На интенсивность теплоотдачи существенное влияние оказывает характер движения потока жидкости или газа. Различают теплоотдачу при свободной и вынужденной конвекции. Под свободной, или естественной, конвекцией понимают перемещение частиц жидкости или газа в объеме аппарата или теплообменных устройств вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости или газа. Скорость естественной конвекции определяется физическими свойствами жидкости или газа, разностью температур между горячими и холодными частицами и объемом, в котором протекает процесс.

Вынужденная, или принудительная, конвекция возникает под действием насоса или вентилятора и определяется физическими свойствами среды, скоростью ее движения, формой и размерами канала, в котором движется поток.

При вынужденной конвекции теплообмен происходит значительно интенсивнее, чем при естественной.

Основной закон теплоотдачи — закон Ньютонагласит: количество теплоты dQ, переданное от поверхности теплообмена к потоку жидкости (газа) или от потока к поверхности теплообмена, прямо пропорционально площади поверхности теплообмена F, разности температур поверхности t_ст и ядра потока t_f (или наоборот) и продолжительности процесса dτ:

(2.10)

где α — коэффициент теплоотдачи, который показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности в 1 м² к омывающему ее потоку или от потока к поверхности теплообмена, равной 1 м² в единицу времени (1 ч) при разности температур поверхности теплообмена и ядра потока 1 К.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывают по критериальным уравнениям, которые получают методами теории подобий из дифференциального уравнения конвективного теплообмена, дополненного уравнениями, характеризующими условие на границе раздела потока и стенки аппарата.

Критерии теплового подобия:

Критерий Нуссельта –характеризует связь между интенсивностью теплоотдачи и температурным полем в пограничном поле потока

Nu=αl/λ (2.11)

Критерий Фурье –характеризует связь между скоростью изменения температурного поля, физическими свойствами и размерами тела

Fо= aτ/l² (2.12)

Критерий Прандтляхарактеризует физические свойства жидкости:

Pr=ν/a=μl/ λ (2.13)

учитывая, что коэффициент температуропроводности a=λ/cρ, а ν=μ/ρ.

Критерий Пекле –показывает соотношение между количеством теплоты, распространяемой в потоке конвекцией, и теплопроводностью

Ре = υl/a (2.14)

Критерий Грасгофа –вводится при теплообмене в условиях естественной конвекции –является мерой отношения сил молекулярного трения и подъемной силы при различии плотностей в отдельных точках неизотермического потока.

Gr=βgl³Δt/ν² (2.15)

где β — температурный коэффициент объемного расширения жидкости или газа; Δt — разность между температурами твердой стенки и потока на удалении от стенки.

– определяющий размер аппарата, м;

– коэффициент теплопроводности, ;

– удельная теплоемкость, ;

– коэффициент динамической вязкости, ;

– коэффициент кинематической вязкости, ;

– ускорение свободного падения, ;

– скорость теплоносителя, ;

Из приведенных критериев подобия только критерий Нуссельта содержит искомый коэффициент теплоотдачи, не входящий в условия однозначности. Поэтому он является определяемым критерием подобия.

Критериальное уравнение конвективного теплообмена в общем виде:

Nu = f(Re, Gr, Pr, Fo) (2.16)

К расчетному виду это уравнение приводится на основании экспериментальных данных, полученных в конкретных условиях.

Коэффициент теплоотдачи определяется по найденному из критериальных уравнений критерию Нуссельта.

Коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции рассчитывают на основании критериального уравнения, в котором числовые значения c и n выбирают в зависимости от произведения GrPr из литературных источников /1-3/:

Nu = с(GrPr)ⁿ (2.17)

Коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекциитеплоносителя в трубе определяют по следующим уравнениям:

турбулентный режим (Re>10000)

Nu = 0,021Re^0.8Pr^0.43(Pr/Pr_ст)^0.25(2.18)

ламинарный режим (Re<=2320)

Nu = 0,17Re^0,33Pr^0,43Gr^0,1(Pr/Pr_ст)^0,25(2.19)

При поперечном обтекании трубы для Re = 10…200000

Nu = cReⁿPr^0,33(Pr/Pr_ст)^0,25, (2.20)

c и n определяем по таблицам /2/.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 783; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!