Конвективный теплообмен

метки: Теплообмен, Конвективный, Труба, Зависеть, Таблица, Температурный, Называться, Перенос

Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Перенос теплоты может передаваться тремя способами:

• теплопроводностью;
• конвекцией;
• излучением (радиацией).

Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть своей кинетической энергии.

Конвекция – это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. При этом, перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально. Этот вид передачи теплоты сопровождается всегда теплопроводностью. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

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.

Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн называется излучением (радиацией).

Этот процесс происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение э/м волн в пространстве, поглощение энергии излучения другим телом. Совместный теплообмен излучением и теплопроводностью называют радиационно-кондуктивным теплообменом.

Совокупность всех трех видов теплообмена называется сложным теплообменом.

Процессы теплообмена могут происходит в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т.д. В зависимости от этого теплообмен протекает по разному и описывается различными уравнениями.

Процесс переноса теплоты может сопровождаться переносом вещества (массообмен).

Например испарение воды в воздух, движение жидкостей или газов в трубопроводах и.т.п. и.т.д. Тогда процесс теплообмена усложняется, так как теплота дополнительно переносится с массой движущегося вещества.

Процесс теплообмена между поверхностью тела и средой описывается законом Ньютона – Рихмана, которая гласит, что количество теплоты, передаваемая конвективным теплообменом прямо пропорционально разности температур поверхности тела (t _‘ст )и окружающей среды (t_‘ж ):

Основы теории теплообмена

... теплообмена. Основные понятия теплообмена Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Перенос теплоты может передаваться тремя способами: теплопроводностью; конвекцией; излучением (радиацией). Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел ...

Q = α

• (t _‘ст — t_‘ж )·F , (1)

или

q = α

• (t _‘ст — t_‘ж ) . (2)

где: коэффициент теплоотдачи [Вт/(м ² 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:

α = f ₁ (Х; Ф; l_o ; x_c ; y_c ; z_c ; w_o ; θ; λ; а ; с_р ; ρ; ν; β) . (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);

θ = (t _‘ст — t_‘ж ) – температурный напор;

• λ – коэффициент теплопроводности среды;

а – коэффициент температуропроводности среды;

с _р –изобарная удельная теплоемкость среды;

• ρ –плотность среды;
• ν – коэффициент кинематической вязкости среды;
• β – 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.

Краткие сведения из теории подобия.

метод теории подобия

Теория подобия

Обязательным условием подобия физических явлений должно быть геометрическое подобие систем, где эти явления протекают. Два физических явления будут подобны лишь в том случае, если будут подобны все величины, которые характеризуют их.

критериями подобия

теорем подобия.

1 теорема: Подобные явления имеют одинаковые критерии подобия.

критериальным уравнением

3 теорема: Два явления подобны, если они имеют подобные условия однозначности и численно одинаковые определяющие критерии подобия.

Условиями однозначности являются:

• наличие геометрического подобия систем;
• наличие одинаковых дифференциальных уравнений;
• существование единственного решения уравнения пр заданных граничных условиях;
• известны численные значения коэффициентов и физических параметров.

критериальной форме

Nu = f ₂ (Х; Ф; X₀ ; Y₀ ; Z₀ ; Re; Gr; Pr) , (4)

где: X ₀ ; Y₀ ; Z₀ – безразмерные координаты;

критерий Нуссельта

критерий Рейнольдса

критерий Грасгофа

Pr = ν/ а = (μ·c_p )/λ — критерий Прандтля , характеризует физические свойства жидкости (газа);

l ₀ – определяющий размер (длина, высота, диаметр).

Приведем некоторые основные расчетные формулы конвективного теплообмена (академика М.А.Михеева), которые даны для средних значений коэффициентов теплоотдачи по поверхности стенки.

1.

а) Горизонтальная труба диаметром d при 10 ³ <(Gr·

Nu _жdср. = 0,5·(Gr_жd ·Pr _ж )^0,25 (Pr _ж /Pr_ст )^0,25 . (5)

б) Вертикальная труба и пластина:

ламинарное течение — 10³ <(Gr

Nu _жdср. = 0,75

• (Gr_жd ·Pr _ж )^0,25 ·(Pr _ж /Pr_ст )^0,25 . (6)

турбулентное течение — (Gr

Nu _жdср. = 0,15

• (Gr_жd ·Pr _ж )^0,33 ·(Pr _ж /Pr_ст )^0,25 . (7)

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

Для воздуха Pr _ж /Pr_ст = 1 и формулы (5-7) упрощаются.

2.

Режим течения определяется по величине Re.

а) Течение жидкости в гладких трубах круглого сечения.

ламинарное течение – Re < 2100

Nu _жdср. = 0,15·Re_жd ^0,33 ·Pr_ж ^0,33 ·(Gr_жd ·Pr_ж )^0,1 ·(Pr_ж /Pr_ст )^0,25 ·ε_l , (8)

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

Значения этого коэффициента представлена в таблице 1.

Таблица 1. Значение ε _l при ламинарном режиме.

l/d	1	2	5	10	15	20	30	40	50
ε l	1,9	1,7	1,44	1,28	1,18	1,13	1,05	1,02	1,0

переходной режим

Nu _жdср. = К₀ ·Pr_ж ^0,43 ·(Pr_ж /Pr_ст )^0,25 ·ε_l . (9)

Коэффициент К ₀ зависит от критерия Рейнольдса Re и представлена в таблице 2.

Таблица 2. Значение К ₀ .

Re?10 4	2,1	2,2	2,3	2,4	2,5	3	4	5	6	8	10
К 0	1,9	2,2	3,3	3,8	4,4	6,0	10,3	15,5	19,5	27,0	33,3

турбулентное течение

Nu _жdср. = 0,021

• Re_жd ^0,8 ·Pr_ж ^0,43

• (Pr_ж /Pr_ст )^0,25 ·ε_l . (10)

Таблица 3. Значение ε _l при турбулентном режиме.

l/d
Re = 2·10 3	Re = 2·10 4	Re = 2·10 5
1	1,9	1,51	1,28
2	1,70	1,40	1,22
5	1,44	1,27	1,15
10	1,28	1,18	1,10
15	1,18	1,13	1,08
20	1,13	1,11	1,06
30	1,05	1,05	1,03
40	1,02	1,02	1,02
50	1,00	1,00	1,00

б) Обтекание горизонтальной поверхности.

ламинарное течение – Re < 4

Nu _жdср. = 0,66·Re_жd ^0,5 ·Pr_ж ^0,33 ·(Pr_ж /Pr_ст )^0,25 . (11)

турбулентное течение

Nu _жdср. = 0,037·Re_жd ^0,5 ·Pr_ж ^0,33 ·(Pr_ж /Pr_ст )^0,25 . (12)

в)Поперечное обтекание одиночной трубы (угол атаки

при Re _жd = 5 — 10³

Nu _жdср. = 0,57·Re_ж ^0,5 ·Pr_ж ^0,38 ·(Pr_ж /Pr_ст )^0,25 . (13)

при Re _жd = 10³ -2

Nu _жdср. = 0,25 ·Re_ж ^0,6 ·Pr_ж ^0,38 ·(Pr_ж /Pr_ст )^0,25 . (14)

Заключение

Основными факторами, влияющими на процесс теплоотдачи являются следующие:

1).

Природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки.

свободным движением (естественная конвекция)

вынужденным (вынужденная конвекция)

2).

Режим движения жидкости.

ламинарным

турбулентным

3).

Физические свойства жидкостей и газов.

Большое влияние на конвективный теплообмен оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности (l), удельная теплоемкость (с), плотность (ρ), κоэффициент температуропроводности ( а = λ/c_р ·ρ), коэффициент динамической вязкости (μ) или кинематической вязкости (ν = μ/ρ), температурный коэффициент объемного расширения (β = 1/Т).

4).

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

Литература

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/konvektivnyiy-teploobmen/

1. Лариков Н.Н. Теплотехника: Учебник для вузов. -3-е изд., перераб. и дополн.-М.; Стройиздат, 1985 -432 с.ил.

2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. -М.; Высшая школа, 1969 -560с.

3. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. -М.; Энергия, 1977.

4. Теплотехника /Хазен М.М., Матвеев Г.А. и др. -М.; 1981.

5. Панкратов Г.П. Сборник задач по теплотехнике. М.; Высш. шк., 1986. -248с.