Конвективная тепловіддача - студопедія

Конвекція - це перенесення тепла потоками речовини в рухомих шарах рідини, газу або сипких середовищах.

Природна (вільна) конвекція виникає в полі сили тяжіння при нерівномірному нагріванні поточних речовин. Нагріте речовина під дією підйомної сили, що виникає через різницю щільності речовини, переміщається, викликаючи конвективні потоки. Вимушена конвекція виникає при примусовому русі рідин або газів.

Якщо температура стінки і рідини неоднакові, то поблизу стінки утворюється тепловий прикордонний шар, в межах якого температура змінюється від температури стінки Тст до температури зовнішнього потоку Т0:

Прикордонний шар характеризується великим поперечним градієнтом температури. за рахунок якого і здійснюється перенесення поперечної теплоти.

Механізм і інтенсивність перенесення теплоти в процесі тепловіддачі залежить від теплофізичних властивостей рідини і газу і від гідродинамічних умов процесу.

Рух рідини або газу у теплообмінної поверхні може відбуватися в двох режимах: ламинарном і турбулентному.

В умовах ламінарного шаруватого руху частинки рухаються строго впорядковано уздовж поверхні теплообміну. Елементи рідини не переміщаються в напрямку, перпендикулярному поверхні тіла, тому ламінарний рух рідини не сприяє обміну між потоком і твердим тілом і поширення теплоти здійснюється головним чином шляхом теплопровідності. (Рис.2.5)

Турбулентний режим характеризується невпорядкованим, хаотичним рухом елементів рідини, які переміщуються по складних траєкторіях, не збігаються із загальним напрямом потоку. (Рис.2.5)

Турбулентний режим характеризується конвективного дифузією і відповідно конвективним переносом тепла, і відрізняється більшою інтенсивністю теплового обміну, ніж ламінарний режим.

Мал. 2.4 Режими течії рідини

У теплообмінних пристроях, щоб інтенсифікувати тепловіддачу, потік рідини намагаються турбулізованим.

Кількість тепла, що віддається або одержуваного поверхнею, уздовж якої рухається рідина, визначається за допомогою рівняння тепловіддачі або рівняння Ньютона:

де Q - тепловий потік, Вт;

F - площа поверхні теплообміну, м 2;

- температура поверхні стінки, град;

- середня температура середовища, що рухається, град;

Коефіцієнт тепловіддачі показує скільки тепла передається від стінки до потоку або навпаки через 1 м 2 поверхні при різниці температур в 1 0 С за 1 секунду.

Зважаючи на складність процесу тепловіддачі, коефіцієнт тепловіддачі залежить від великої кількості факторів.

Ф тепловий потік, # 953; - геометричні розміри поверхні теплообміну, g - прискорення вільного падіння, # 969; - швидкість руху середовища, Т - температури; # 957; коефіцієнт кінематичної в'язкості; # 955; - ​​коефіцієнт теплопровідності; # 946; - коефіцієнт об'ємного розширення; Ср - теплоємність.

Для визначення коефіцієнта тепловіддачі використовують критеріальні рівняння, отримані за допомогою теорії подібності:

Всі величини від яких залежить, групуються в комплекси, звані критеріями подібності або числа подібності, потім складається критеріальне рівняння, яке характеризує залежність між визначеним числом подібності і визначальними числами подібності.

Критерій подібності - це безрозмірний комплекс, складений з основних величин, що характеризують дане теплове явище.

Конвективний теплообмін характеризується чотирма числами подібності: Nu, Re, Pr, Gr.

Число Нуссельта - характеризує інтенсивність конвективного теплообміну

Число Рейнольдса - характеризує режим руху рідини

Число Прандтля - характеризує теплофізичні властивості теплоносія

Число Грасгофа - характеризує величину підйомної сили при вільної конвенції.

Де - швидкість руху середовища, м / с;

l - Визначальний розмір, м;

- коефіцієнт тепловіддачі, Вт / (м 2. К);

- коефіцієнт теплопровідності рідкого середовища, Вт / (м 2. К);

а - коефіцієнт температуропровідності, м 2 / с;

g - прискорення вільного падіння, 9,8 м / с 2;

- коефіцієнт об'ємного розширення, 1 / град;

- кінематичний коефіцієнт в'язкості, м 2 / с;

- різницю температур між середовищем і стінкою.

Число. як що містить шуканий коефіцієнт тепловіддачі. є визначальним числом, числа Re, Pr, Gr - визначальними.

Критеріальне рівняння в процесах конвективного теплообміну при вимушеному русі теплоносія визначається функціональною залежністю:

Nu = f (Re, Pr. Gr). (2.18)

А при вільній конвекції:

Визначальна температура - це характерна температура, за якою розраховують числа подібності, зазвичай за визначальну береться середня температура в прикордонному шарі:

або середня температура рідини:

де - температура середовища до теплообміну,;

- температура середовища після теплообміну,.

При значній зміні температури рідини в процесі:. (2.22)

среднелогаріфміческій температурний напір

За визначальний розмір беруть той розмір, який визначає розвиток процесу. Для каналів некруглого перетину це еквівалентний діаметр, для труб це діаметр труби, для вертикальних плит висота ділянки

F - Площа поперечного перерізу, м 2;

П - змочений периметр перетину,.

Природна або вільна конвекція виникає під стінами нагрітих печей, у нагрівальних приладів систем опалення. Потоки повітря створюються за рахунок різниці щільності, зумовленої нерівномірністю нагріву.

Кількість переданого тепла залежить від величини поверхні теплообміну і різниці температур між поверхнею і рідиною, тобто температурного напору.

На підставі досвідчених даних отримана наступна критеріальна залежність для тепловіддачі при вільній конвекції:

Коефіцієнти c, n є функціями аргументу, визначаються експериментально і наведені в таблиці 2.2.