Особенности конвективного теплообмена

РЕФЕРАТ Особенности конвективного теплообмена

Сущность и факторы конвективного теплообмена

конвективный теплообмен теплопроводность Конвективным теплообменом называется одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью.

В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.

Основными факторами, влияющими на процесс теплоотдачи являются следующие:

1) природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки. Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция).

Движение, создаваемое вследствие разности давлений, которые создаются насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция).

2) режим движения жидкости.

Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным.

Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным.

3) физические свойства жидкостей и газов.

Большое влияние на конвективный теплообмен оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности (л), удельная теплоемкость ©, плотность ©, коэффициент температуропроводности (а = л/c_р· с), коэффициент динамической вязкости (з) или кинематической вязкости (н = з/с), температурный коэффициент объемного расширения (в = 1/Т).

4) форма (плоская, цилиндрическая), размеры и положение поверхности (горизонтальная, вертикальная).

Закон Ньютона-Рихмана. Процесс теплообмена между поверхностью тела и средой описывается законом Ньютона-Рихмана, который гласит, что количество теплоты, передаваемое конвективным теплообменом прямо пропорционально разности температур поверхности тела (t_'ст) и окружающей среды (t_'ж): Q = б · (t_'ст — t_'ж)· F·ф. Для теплового потока Ф = Q/ф = б· F·(t_'ст — t_'ж); (1)

Плотность теплового потока

q = Ф/F =б· (t_'ст — t_'ж), (2)

где бконвективный коэффициент теплоотдачи [вт/(м² • К)], характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Факторы, которые влияют на процесс конвективного теплообмена, включают в этот коэффициент теплоотдачи. Тогда коэффициент теплоотдачи является функцией этих параметров и можно записать эту зависимость в виде следующего уравнения:

б = f₁(Х; Ф; l_o; x_c; y_c; z_c; w_o; и; л; а; с_р; с; н; в), (3)

где: Х — характер движения среды (свободная, вынужденная); Ф — форма поверхности; l_o — характерный размер поверхности (длина, высота, диаметр и т. д.); x_c; y_c; z_c — координаты; w_o — скорость среды (жидкость, газ); и = (t_'ст — t_'ж) — температурный напор; л — коэффициент теплопроводности среды; а — коэффициент температуропроводности среды; с_р -изобарная удельная теплоемкость среды; сплотность среды; н — коэффициент кинематической вязкости среды; в — температурный коэффициент объемного расширения среды.

Уравнение (3) показывает, что коэффициент теплоотдачи величина сложная и для её определения невозможно дать общую формулу. Поэтому для определения коэффициента теплоотдачи применяют экспериментальный метод исследования.

Достоинством экспериментального метода является: достоверность получаемых результатов; основное внимание можно сосредоточить на изучении величин, представляющих наибольший практический интерес.

Основным недостатком этого метода является, что результаты данного эксперимента не могут быть использованы, применительно к другому явлению, которое в деталях отличается от изученного. Поэтому выводы, сделанные на основании анализа результатов данного экспериментального исследования, не допускают распространения их на другие явления. Следовательно, при экспериментальном методе исследования каждый конкретный случай должен служить самостоятельным объектом изучения.

Уравнения конвективного теплообмена

Используя теорию подобия для конвективного теплообмена в случае отсутствия внутренних источников тепла можно получить уравнение в следующей форме: Nu = f₂(Х; Ф; X₀; Y₀; Z₀; Re; Gr; Pr), где: X₀; Y₀; Z₀ — безразмерные координаты;

Nu = б · l₀/л — (4)

Nu критерий Нуссельта (число подобия Нуссельта, безразмерный коэффициент), характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью (газом);

Re = w· l₀/н (5)

Re — критерий Рейнольдса (безразмерное число подобия Рейнольдса), характеризует соотношение сил инерции и вязкости и определяет характер течения жидкости (газа);

Gr = (в· g·l₀³·Дt)/н² (6)

Gr — критерий Грасгофа (безразмерное число подобия Грассгофа), характеризует подъемную силу, возникающую в жидкости (газе) вследствие разности плотностей;

Pr = н/а = (с· c_p•н)/л (7)

Pr — критерий Прандтля (безразмерное число подобия Прандтля), характеризует физические свойства жидкости (газа); l₀ — определяющий размер (длина, высота, диаметр). Расчетные формулы конвективного теплообмена. Приведем некоторые основные расчетные формулы конвективного теплообмена (академика М.А. Михеева), которые даны для средних значений коэффициентов теплоотдачи по поверхности стенки (для ознакомления, не для запоминания).

Свободная конвекция в неограниченном пространстве

а). Горизонтальная труба диаметром d при 10³<(Gr· Pr)_ж <10⁸

Nu_ж = 0,5· (Gr_ж · Pr _ж)^0,25 (Pr _ж/Pr_ст)^0,25 (8)

Примечание: индекс ж означает, что значения физических величин, входящих в данное число подобия, надо брать при температуре среды t_'ж; индекс ст означает, что значения берутся при температуре поверхности нагревателя t_'ст.

б). Вертикальная труба и пластина:

1) ламинарное течение — 10³<(Gr · Pr)_ж <10⁹: Nu_ж. = 0,75· (Gr_ж· Pr _ж)^0,25· (Pr _ж/Pr_ст)^0,25. 2). турбулентное течение — (Gr · Pr)_ж > 10⁹:

Nu_ж. = 0,15· (Gr_ж· Pr _ж)^0,33 · (Pr _ж/Pr_ст)^0,25. (9)

Здесь значения Gr_ж и Pr _ж берутся при температуре жидкости (газа), а Pr_ст при температуре поверхности стенки.

Для воздуха Pr _ж/Pr_ст = 1 и формулы (8) упрощаются. Так например, формула (8) примет вид:

Nu = 0,5· (Gr · Pr_ж)^0,25; (10)

Вынужденная конвекция

Режим течения определяется по величине числа подобия Рейнольдса Re.

а) Течение жидкости в гладких трубах круглого сечения.

1). ламинарное течение — Re < 2100

Nu_ж. = 0,15· Re_ж^0,33·Pr_ж^0,33·(Gr_ж·Pr_ж)^0,1·(Pr_ж/Pr_ст)^0,25·е_l, (11)

где е_l — коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы и зависит от отношения длины трубы к его диаметру (l/d).

2). переходной режим — 2100 < Re < 10⁴

Nu_ж. = К₀· Pr_ж^0,43·(Pr_ж/Pr_ст)^0,25·е_l. (12)

Коэффициент К₀ зависит от критерия Рейнольдса Re 3). турбулентное течение — Re = 10⁴

Nu_жdср. = 0,021· Re_ж^0,8· Pr_ж^0,43· (Pr_ж/Pr_ст)^0,25· е_l. (13)

б) Обтекание горизонтальной поверхности.

1) ламинарное течение — Re < 4· 10⁴

Nu_ж. = 0,66· Re_ж^0,5·Pr_ж^0,33 · (Pr_ж/Pr_ст)^0,25. (14)

2). турбулентное течение — Re > 4· 10⁴

Nu_ж. = 0,037· Re_ж^0,5·Pr_ж^0,33 · (Pr_ж/Pr_ст)^0,25. (15)

в). Поперечное обтекание одиночной трубы (угол атаки ц = 90⁰).

1) при Re_ж = 5 — 10³

Nu_ж. = 0,57· Re_ж^0,5·Pr_ж^0,38 · (Pr_ж/Pr_ст)^0,25. (16)

2). при Re_ж = 10³ -2· 10⁵

Nu_ж. = 0,25 · Re_ж^0,6·Pr_ж^0,38 · (Pr_ж/Pr_ст)^0,25. (17)