Конвективный теплообмен.

Явление конвекции, происходящее в газах и жидко­стях, заключается в переносе тепла перемещающимися в пространстве достаточно крупными частицами тела. Одновременно тепло внутри жидких и газообразных тел передается также и теплопровод­ностью. Совместный процесс конвекции и теплопровод­ности называется конвективным теплооб­меном.

Под конвективным теплообменом, или теплоотдачей (тепловосприятием), понимают процесс теплообмена между жидкостью (газом) и твердым телом при их непосредственном соприкосновении. Теплоносителем в этом случае является газо­образное или жидкое тело, аккумулирующее тепло и передающее его другому телу.

Теплоотдача конвекцией представляет собой слож­ный процесс и зависит от большого числа различных факторов:

характера конвекции — свободной, происходящей под действием внутренних сил, возникающих вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц, или вынужденной, происходящей под действием внешних сил — ветра, насоса, вентилятора;

режима течения жидкости — течения при малых скоростях параллельно-струйчатого характера без пере­мешивания (ламинарный режим) или течения при боль­ших скоростях (течение неупорядоченное — вихревое), когда в теплоносителе наблюдаются вихри, переме­щающие жидкость не только в направлении движения, но и в поперечном направлении (турбулентный режим);

скорости w движения теплоносителя;

направления теплового потока — нагревание или ох­лаждение;

физических свойств теплоносителя – коэффициента теплопроводности λ, теплоемкости с_р, плотности ρ, вязкости μ, температурного напора, зависящего от разности температур теплоносителя и поверхности стенок;

поверхности стенки F, омываемой теплоносителем; формы стенки, ее размеров и других факторов.

Тепловой поток Q, Вт, при конвективном теплообмене опре­деляется по формуле Ньютона

где α — коэффициент пропорциональности, называемый коэффи­циентом теплоотдачи (тепловосприятия), Вт/(м²- °С); F— площадь поверхности теплообмена, м²; t_Ж — температура жидкости, ۫С; т — температура поверхности тела, ۫С;.

Если принять F= 1 м², то получим формулу для подсчета удель­ного теплового потока (плотности теплового потока) q, Вт/м²:

Коэффициент теплоотдачи α показывает, какое количество тепла передается от жидкости (греющего тела) к стенке или, наоборот, в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью стенки и жидкостью в 1 К и выражается в Вт,м²∙К.

На коэффициент теплоотдачи а влияет мно­жество факторов:

форма тела Ф, его размеры 1₂ и /₃, температу­ра поверхности τ, скорость жидкости v, ее температура t_ж, физи­ческие параметры жидкости — коэффициент теплопроводности λ, динамическая вязкость μ, кинематическая вязкость V, плотность p, теплоемкость с_р, коэффициент объемного расширения β и др.

Таким образом,

α=ƒ (Ф, ,l₂, l₃,τ v, t_ж, λ, μ, V, р, с_р, β, ...).

Изучение процессов теплоотдачи ведется как в теоретическом, так и в экспериментальном направлении. Математическое реше­ние в большинстве случаев ограничивается лишь формулировкой задачи, т.е. составлением системы дифференциальных уравнений и описанием условий однозначности. Поэтому при определении а, что необходимо для решения практических инженерных задач, большое значение имеют данные, полученные эксперименталь­ным путем. Но распространять результаты экспериментов можно лишь на подобные явления. Ответы на вопросы, какие явления могут быть признаны подобными, какие параметры можно опре­делить из опытов и как обработать результаты опытов, дает теория подобия. Из нее следует, что экспериментальные данные необхо­димо обрабатывать с использованием так называемых критериев подобия — безразмерных комплексов, составленных из параметров, характеризующих изучаемый процесс.

Интенсивность процесса теплоотдачи определяется коэффициентом теплоотдачи α, который зависит от тех же факторов, что и теплоотдача. Он определяется опытным или аналитическим путем. Аналитический метод весьма сложен и не обеспечивает нужной точности.

Поэтому при определении α, что необходимо для решения практических инженерных задач, большое значение имеют данные, полученные экспериментально. Но распространять результаты экспериментов можно лишь на подобные явления. Ответы на вопросы, какие явления могут быть признаны подобными, какие параметры можно определить из опытов и как обработать результаты опытов, дает теория подобия. Из нее следует, что экспериментальные данные необходимо обрабатывать с использованием так называемых критериев подобия – безразмерных комплексов, составленных из параметров, характеризующих изучаемый процесс.

Приведем основные критерии подобия, используемые при оп­ределении коэффициента теплоотдачи а, и их краткие характери­стики:

Nu = α1/λ — критерий Нуссельта, характеризующий интенсив­ность теплоотдачи на границе жидкость (газ) — твердое тело и всегда являющийся искомой величиной (здесь и далее / — опреде­ляющий размер);

Rе = рv1/μ — критерий Рейнольдса, представляющий собой от­ношение сил инерции к силам внутреннего трения и характеризу­ющий гидродинамический режим движения жидкости (см. гл. 4);

Рr = μ — критерий Прандтля, характеризующий физиче­ские свойства жидкости (газа). Для газов одинаковой атомности критерий Рr является постоянной величиной, не зависящей от давления и температуры.

Для одноатомных газов Рr = 0,67; для двухатомных Рr = 0,72; для трехатомных Рr = 0,8; для четырех­атомных и более Рr = 1;

Сr = — критерий Грасгофа, характеризующий силы,

возникающие в жидкости (газе) вследствие разности плотностей в рассматриваемом объеме, которая обусловливает естественную конвекцию.

Для общего случая конвективного теплообмена критериальная зависимость имеет вид Nu=ƒ (Re, Gr, Pr).

Критерии Rе, Gr, Pr в этой зависимости являются определя­ющими критериями.

Теплообмен в условиях вынужденного турбулентного движе­ния оценивается критериальным уравнением вида ,

где с, п, т — соответственно коэффициент и показатели степени, определяемые экспериментально.

В режиме естественной конвекции теплоотдача в критериаль­ном виде может быть описана общей степенной зависимостью вида

где с, п — экспериментально определяемые величины, различные для отдельных диапазонов аргумента (Gr, Pr). Индекс т указывает, что значения критериев вычислены при определяющих геометри­ческих размерах и температуре. В частности, он свидетельствует о том, что в качестве определяющей была использована средняя температура между температурами жидкости и поверхности.

Наряду с критериальными зависимостями в справочниках и пособиях приводят формулы явного вида типа α=А∆t^т и α=Вv , которые более просты для использования. Однако в этих формулах из всего многообразия влияющих факторов учтены лишь основ­ные, что позволяет применять их только при наличии условий, аналогичных тем, при которых была получена данная зависимость.

Практическая работа № 9.

Тема: Лучистый теплообмен и сложный теплообмен.

Цель работы: ознакомиться с основными понятиями и определениями, коэффициентом лучистого теплообмена и формулой общего коэффициента теплоотдачи

Ход работы:

1. Что такое лучистая энергия?

2. В результате каких превращений энергии осуществляется процесс лучистого теплообмена?

3. Как определяются поглощательная, отражательная и пропускательная способности тела?

4. Напишите уравнение Стефана-Больцмана для излучательной способности абсолютно черного тела.

5. Что такое степень черноты тела?

6. В чем сущность закона Кирхгофа?

7. Что называется общим коэффициентом теплоотдачи?

8. Чему равен коэффициент теплопередачи?

9. Приведите пример сложного теплообмена.

10. Вывод по работе.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение теплового излучения.

2. Какие тела называют абсолютно черными, зеркальными, абсолютно белыми, абсолютно прозрачными?

3. Приведите пример сложного теплообмена.