Что называется конвективной теплоотдачей

Конвективная теплоотдача

Конвекция – это перенос тепла потоками вещества в движущихся слоях жидкости, газа или сыпучих средах.

Естественная (свободная) конвекция возникает в поле силы тяжести при неравномерном нагреве текущих веществ. Нагретое вещество под действием подъемной силы, возникающей из-за разности плотности вещества, перемещается, вызывая конвективные потоки. Вынужденная конвекция возникает при принудительном движении жидкостей или газов.

Если температура стенки и жидкости неодинаковы, то вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой, в пределах которого температура изменяется от температуры стенки Т_ст до температуры внешнего потока Т₀:

.(2.12)

Пограничный слой характеризуется большим поперечным градиентом температуры , за счет которого и осуществляется перенос поперечной теплоты.

Механизм и интенсивность переноса теплоты в процессе теплоотдачи зависит от теплофизических свойств жидкости и газа и от гидродинамических условий процесса.

Движение жидкости или газа у теплообменной поверхности может происходить в двух режимах: ламинарном и турбулентном.

В условиях ламинарного слоистого движения частицы движутся строго упорядоченно вдоль поверхности теплообмена. Элементы жидкости не перемещаются в направлении, перпендикулярном поверхности тела, поэтому ламинарное движение жидкости не способствует обмену между потоком и твердым телом и распространение теплоты осуществляется главным образом путем теплопроводности. (рис.2.5)

Турбулентный режим характеризуется неупорядоченным, хаотическим движением элементов жидкости, которые перемещаются по сложным траекториям, несовпадающим с общим направлением потока. (рис.2.5)

Турбулентный режим характеризуется конвективной диффузией и соответственно конвективным переносом тепла, и отличается большей интенсивностью теплового обмена, чем ламинарный режим.

Рис. 2.4 Режимы течения жидкости

В теплообменных устройствах, чтобы интенсифицировать теплоотдачу, поток жидкости стараются турбулизировать.

Количество тепла, отдаваемого или получаемого поверхностью, вдоль которой движется жидкость, определяется с помощью уравнения теплоотдачи или уравнения Ньютона:

, (2.13)

где Q— тепловой поток, Вт;

F— площадь поверхности теплообмена, м 2 ;

— температура поверхности стенки, град;

— средняя температура движущейся среды, град;

— коэффициент теплоотдачи, .

Коэффициент теплоотдачи показывает какое количество тепла передается от стенки к потоку или наоборот чрез 1 м 2 поверхности при разности температур в 1 0 С за 1 секунду.

Ввиду сложности процесса теплоотдачи, коэффициент теплоотдачи зависит от большого количества факторов.

Ф –тепловой поток, ι– геометрические размеры поверхности теплообмена, g – ускорение свободного падения, ω – скорость движения среды, Т – температуры; ν –коэффициент кинематической вязкости;λ- коэффициент теплопроводности; β- коэффициент объемного расширения; С_р— теплоемкость.

Для определения коэффициента теплоотдачи используют критериальные уравнения, полученные с помощью теории подобия:

Все величины от которых зависит ,группируются в комплексы, называемые критериями подобия или числа подобия, затем составляется критериальное уравнение, которое характеризует зависимость между определяемым числом подобия и определяющими числами подобия.

Критерий подобия – это безразмерный комплекс, составленный из основных величин, характеризующих данное тепловое явление.

. (2.14)

. (2.15)

. (2.16)

, (2.17)

Где — скорость движения среды, м/с;

l— Определяющий размер, м;

— коэффициент теплоотдачи, Вт/(м 2. К);

— коэффициент теплопроводности жидкой среды, Вт/(м 2. К);

а – коэффициент температуропроводности, м 2 /с;

g – ускорение свободного падения, 9,8 м/с 2 ;

— коэффициент объемного расширения, 1/град;

— кинематический коэффициент вязкости, м 2 /с;

— разность температур между средой и стенкой.

Число , как содержащее искомый коэффициент теплоотдачи , является определяемым числом, числа Re, Pr,Gr – определяющими.

Критериальное уравнение в процессах конвективного теплообмена при вынужденном движении теплоносителя определяется функциональной зависимостью:

А при свободной конвекции:

Определяющая температура – это характерная температура, по которой рассчитывают числа подобия, обычно за определяющую берется средняя температура в пограничном слое:

(2.20)

или средняя температура жидкости:

(2.21)

где — температура среды до теплообмена, ;

— температура среды после теплообмена, .

При значительном изменении температуры жидкости в процессе: , (2.22)

где (2.23)

среднелогарифмический температурный напор

За определяющий размер берут тот размер, который определяет развитие процесса. Для каналов некруглого сечения это эквивалентный диаметр, для труб это диаметр трубы, для вертикальных плит высота участка

F – Площадь поперечного сечения, м 2 ;

П – смоченный периметр сечения, .

Естественная или свободная конвекция возникает у стен нагретых печей, у нагревательных приборов систем отопления. Потоки воздуха создаются за счет разности плотностей, обусловленной неравномерностью нагрева.

Количество переданного тепла зависит от величины поверхности теплообмена и разности температур между поверхностью и жидкостью, то есть температурного напора.

На основании опытных данных получена следующая критериальная зависимость для теплоотдачи при свободной конвекции:

, (2.25)

Коэффициенты c, n являются функциями аргумента, определяются экспериментально и приведены в таблице 2.2.

Физические константы, входящие в состав чисел подобия, определяется по средней температуре нагретого слоя:

. (2.26)

Источник

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН (ТЕПЛООТДАЧА)

Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью, имеющих разные температуры, называется теплоотдачей. Теплоотдача обычно сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективной теплоотдачей.

Согласно закону Ньютона-Рихмана тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален коэффициенту теплоотдачи, площади поверхности теплообмена и разности температур поверхности тела и жидкости.

В расчетах разность температур t_с – t_ж берут по абсолютной величине. Коэффициент теплоотдачи α Вт/(м 2 ·К) характеризует интенсивность процесса теплоотдачи и зависит от большого числа факторов:

= ƒ ( t_ж, t _ст, d, λ, ν, ω, ℓ, ġ, β Х_…….) 2.18

где : t_ж-температура жидкости, 0 С ; t_ст – температура стенки, 0 С; d –диаметр трубы, м;

λ – теплопроводность жидкости, Вт/ ( м К ): ω –скорость течения жидкости, м/с; ℓ – определяющий размер ( для труб – диаметр ), м ; g – ускорение свободного падения, 9,8 м/с 2 ;

β – коэффициент объемного расширения, 1/К ; Х – характер течения жидкости; ν – кинематический коэффициент вязкости, м 2 /с.

Из формулы 2.18 видно, что коэффициент теплоотдачи определить сложно, т.к. он зависит от большого числа переменных.

Существует два способа решения задач конвективного теплообмена: аналитический и с применением теории подобия.

При аналитическом решении задач конвективного теплообмена составляются дифференциальные уравнения, учитывающие тепловые и динамические явления в рассматриваемом процессе. Вывод таких уравнений рассматривается в специальной литературе.

Конвективный теплообмен в несжимаемой однофазной среде описывается следующими уравнениями.

Дифференциальное уравнение теплопроводности (сплошности) имеет вид:

∂t /∂τ = а 2 t = [∂ 2 t / ∂x 2 +∂ 2 t / ∂y 2 + ∂ 2 t / ∂z 2 ] λ /с ρ 2.20

и от теплофизических свойств: коэффициента температуропроводности – а (м 2 /с), удельной теплоемкости – с (кДж/(кг К) и плотности ρ (кг/м 3 )

Дифференциальное уравнение движения:

∂ω/ ∂τ = gβ – 1/ρ ( ρ) + ν 2 ω. 2.22

Дифференциальное уравнение сплошности:

∂ω_х / ∂х + ∂ω_у / ∂у + ∂ω_z / ∂z = 0 или div = 0 2.23

Приведенные дифференциальные уравнения конвективного теплообмена 2.19 – 2.22 описывают бесчисленное множество процессов. Чтобы решить конкретную задачу, к приведенным уравнениям следует присоединить условия однозначности. Условия однозначности дают математическое описание частных случаев. Условия однозначности состоят:

1)из геометрических условий, характеризующих форму и размеры тела или системы, в которой протекает процесс;

2) физических условий, характеризующих физические свойства среды;

3) граничных условий, определяющих особенности протекания процесса на границах жидкой среды;

4) временных или начальных условий, характеризующих особенности процесса в начальный момент времени; для стационарных процессов эти условия отпадают.

Решение приведенных систем дифференциальных уравнений и условий однозначности с большим количеством переменных получается сложным. Поэтому большое значение приобретает экспериментальный путь исследования и применение теории подобия.

В основе теории подобия лежат три теоремы.

Первая терема подобия: у подобных явлений числа подобия численно одинаковы.

Вторая теорема подобия: если физическое явление описывается системой дифференциальных уравнений, то всегда существует возможность представить их в виде уравнений подобия.

Третья теорема подобия: подобны те явления, условия однозначности которых подобны, и числа подобия, составленные из условий однозначности, численно одинаковы.

Сущность теории подобия состоит в том, что размерные физические величины, влияющие на конвективный теплообмен, объединяются в безразмерные комплексы, причем так, что число комплексов меньше числа величин, из которых составлены эти комплексы. Комплексам или числам подобия присваиваются имена ученых, внесших большой вклад в исследование процессов теплопереноса и гидродинамики

Полученные безразмерные комплексы рассматриваются как новые переменные. Они отражают не только влияние одиночных факторов, но и их совокупности, что упрощает описание исследуемого процесса. Теория подобия является теоретической базой эксперимента, облегчает анализ процессов. Рассмотрим применение теории подобия для исследования конвективных процессов теплоотдачи.

Из формулы 2.17 видно, интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом теплоотдачи, который зависит, в частности, от определяющего размера, площади теплообменной поверхности, температуропроводности, теплопроводности, температурного напора, скорости движения жидкости, коэффициента кинематической вязкости и т. д.

Из этих величин составлены безразмерные комплексы – числа подобия (критерии подобия).

число Нуссельта Nu = αℓ / λ 2.24

число Рейнольдса Re = ωℓ / ν 2.25

число Грасгофа Gr = g β Δt ℓ 3 / ν 2 2.26

число Прандтля Рr = ν /а 2.27

Число Нуссельта – определяемое число, т.к. в него входит искомый коэффициент теплоотдачи. Числа Рейнольдса, Грасгофа, Прандтля – определяющие. Они состоят из величин, известных до решения задачи. В общем виде

Nu= ƒ ( Rе, Gr, Рr ) 2.28

Для решения задач приведенное уравнение записывается в степенном виде:

Nu = c Rе m Gr n Рr r 2.29

Различают естественное (свободное) и вынужденное течение жидкости.

Естественная конвекция возникает за счет разности плотностей холодных и горячих частиц жидкости около поверхности нагрева. Интенсивность теплового расширения характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения β Для газов, которые в большинстве случаев можно считать идеальными, коэффициент объемного расширения определяется равенством

При естественной конвекции уравнение 2.28 упрощается:

Nu= с ( Gr, Рr ) n 2.31

Вынужденная конвекция создается внешним источником (насосом, вентилятором). Для вынужденной конвекции уравнение 2.28 имеет вид:

Nu = с Rе m Pr n 2.32

Задачей эксперимента является определение конкретного вида функциональной связи в уравнении подобия, т.е. следует найти числовые значения коэффициентов, показателей степеней и т.д.

Определив число Нуссельта, можно рассчитать искомый коэффициент теплоотдачи:

= Nu ℓ /λ 2.33

Как показали экспериментальные исследования, режим течения определяется скоростью потока.

О. Рейнольдс опытным путем установил, что при движении жидкости встречаются два вида потока, подчиняющимся различным законам. В одном виде потока все частицы движутся только по параллельным траекториям и движение длительно совпадает с направлением всего потока. Жидкость движется спокойно, без пульсаций. Такое движение названо ламинарным. При ламинарном течении в трубе число Рейнольдса менее 2300.

Теоретическое исследование задач конвективного теплообмена основано на теории пограничного слоя, разработанной Л. Прандтлем.

Введены понятия теплового и динамического пограничных слоев.

Если температуры стенки и жидкости неодинаковы, то вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой, в котором происходит изменение температуры. Вне пограничного слоя температура жидкости одинакова и равна температуре потока.

Тонкий пограничный слой жидкости вблизи поверхности, в котором происходит изменение скорости от значения скорости невозмущенного потока вдали от стенки до нуля непосредственно на стенке, называется динамическим пограничным слоем.

Рис.2.4 Распределение температуры и скорости в тепловом

и динамическом пограничном слое

С увеличением вязкости толщина динамического слоя увеличивается, с увеличением скорости потока толщина динамического слоя уменьшается. Течение в динамическом слое может быть как ламинарным, так и турбулентным и определяется числом Рейнольдса.

Одинаковые математические записи законов Фурье и Фика отражают аналогию переноса массы и теплоты. Например, в газах носители массы и теплоты одни и те же: Каждая молекула вместе с собственной массой переносит и энергию. Вблизи поверхности образуется тонкий пограничный слой, в котором концентрация вещества будет изменяться от состояния насыщения у поверхности до концентрации вещества в потоке.

Уравнение массоотдачи в направлении у (поперек потока) имеет вид

Уравнение переноса массы диффузией и концентрацией

ω_{х (}∂с /∂х ) + ω_у( ∂с/∂у) = D [(∂ 2 c/∂х 2 ) + ( ∂ 2 с/∂у 2 ) 2.37

Уравнения сплошности и движения (2.20 и 2.22) останутся без изменения.

Аналогичны по записи числа Nu и Рr

Nu =αℓ/λ Nu_д= βℓ/ D – иногда его называют числом Шервуда 2.38

Одни и те же безразмерные уравнения при одних и тех же граничных условиях дадут одни и те же решения, пригодные для описания процессов как теплоодачи, так и массоодачи.

При больших перепадах температур или концентраций аналогия процессов тепло и массообмена нарушается, т.к. зависимости теплофизических свойств от температуры и концентрации неодинаковы.

Дата добавления: 2018-05-12 ; просмотров: 336 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Конвективный теплообмен

Конвекция – это перемещение тепла за счет перемещения конкретных макроскопических объемов жидкости или газа. Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности.

Под конвективным теплообменом понимают процесс распространения тепла в жидкости (или газе) от поверхности твердого тела или к поверхности его одновременно конвекцией и теплопроводностью. Такой случай распространения тепла называют также теплоотдачей соприкосновением или просто теплоотдачей.

Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движется вся масса жидкости и чем энергичней осуществляется перемешивание ее частиц. Т. о. Конвекция связана с механическим переносом тепла и сильно зависит от гидродинамических условий течения жидкости.

По природе возникновение различают два вида характера движение жидкости:

1. Свободное движение жидкости (т. е. естественная конвекция) – возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости и определяется физическими свойствами жидкости, ее объемом и разностями температур нагретых и холодных частиц.

2. Вынужденное (принудительное) движение жидкости (принудительная конвекция) возникает под действием какого-либо постороннего возбудителя, например насоса, вентилятора. Оно определяется физическими свойствами жидкости, ее скоростью, формой и размерами канала, в котором осуществляется движение.

В общем случае наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное. Процессы теплоотдачи неразрывно связаны с условиями движения жидкости. Как известно, имеются два основных режима течения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме течение имеет спокойный, струйчатый характер. При турбулентном – движение неупорядоченное, вихревое. Для процессов теплоотдачи режим движения рабочей жидкости имеет очень большое значение, так как им определяется механизм переноса тепла.

Механизм передачи тепла конвекцией

Рассмотрим процесс передачи тепла конвекцией и теплопроводностью от поверхности твердого тела к омывающему ее потоку жидкости (или газа) либо, наоборот, от потока к твердому телу, например стенке теплообменного аппарата.

В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией. Механизм переноса тепла в ядре потока при турбулентном движении среды характеризуется интенсивным перемешиванием за счет турбулентных пульсаций, которое приводит к выравниванию температур в ядре до некоторого среднего значения t_ср (t_ср1 или t_ср2). Соответственно перенос тепла в ядре определяется, прежде всего характером движения теплоносителя, но зависит также от его тепловых свойств. По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает. Это объясняется тем, что вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой, подобный гидродинамическому пограничному слою. Т. о. по мере приближения к стенке все большее значение приобретает теплопроводность, а в непосредственной близости от стенки (в весьма тонком ламинарном тепловом подслое) перенос тепла осуществляется только теплопроводностью.

Тепловым пограничным подслоем считается пристенный слой, в котором влияние турбулентных пульсаций на перенос тепла становится пренебрежимо малым.

Следует отличать, что интенсивность т/отдачи определяется, в основном, термическим сопротивлением пристенного подслоя, которое по сравнению с термическим сопротивлением ядра оказывается определяющим.

При турбулентном движении жидкости теплообмен происходит значительно интенсивнее, чем при ламинарном. С повышением турбулентности потока перемешивание усиливается, что приводит к уменьшению толщины пограничного слоя и увеличению количества передаваемого тепла.

Одной из практических задач в технике является развитие турбулентности при движении теплоносителей.

Цель развития турбулентности в теплообменной аппаратуре – снижение толщины теплового пограничного подслоя, в этом случае процесс лимитируется только конвекцией.

Количество тепла, переносимого молекулярной теплопроводностью определяется по закону Фурье:

(1)

t – температура на границе

Тепло, переносимое конвекцией определяют по закону Ньютона или закону теплоотдачи:

(2)

Количество тепла, передаваемое поверхностью F, имеющей температуру t_ст окружающей среде с температурой t_ср прямопропорционально поверхности теплообмена и разности температур м/у t_ст и t_ср окружающей среды.

За счет турбулентных пульсаций идет выравнивание температур и можно приравнять .

Приравняв (1) и (2) уравнение получим:

, но величина трудноопределимая.

коэффициент теплоотдачи, [Вт/м 2 ·К] – показывает, какое количество тепла передается от 1 м 2 поверхности стенки к жидкости при разности температур между стенкой и жидкостью в один градус.

Величина характеризует интенсивность переноса тепла между поверхностью тела, например твердой стенки и окружающей средой (капельной жидкостью или газом).

Процесс теплоотдачи является сложным процессом, а коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин, характеризующих этот процесс.

Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих факторов:

— скорости жидкости , ее плотности и вязкости , т. е. переменных, определяющих режим течения жидкости;

— тепловых свойств жидкости (уд. теплоемкости С_р, теплопроводности ), а также коэффициента объемного расширения ;

— геометрических параметров – формы и определяющих размеров стенки (для труб – их диаметр d и длина L), а также шероховатости стенки.

Т. о. .

ЛУЧЕИСПУСКАНИЕ

А. или тепловое излучение свойственно всем телам, температура которых отлична от 0 0 К.

Длины волн теплового излучения лежат в инфракрасной части спектра и имеют длину 0,8 ÷ 40 мкм. И поскольку отличаются от других электромагнитных волн только длиной, то и подчиняются законам квантовой механики.

Интенсивность теплового излучения возрастает с повышением температуры тела, и при высоких температурах (примерно, при t 600 0 C) лучистый теплообмен м/у телами приобретает доминирующее значение

Дата добавления: 2017-08-01 ; просмотров: 5627 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник