41. Основное уравнение конвективного теплопереноса - уравнение Ньютона.

Закону Ньютона и Рихмана тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален площади поверхности теплообмена F и разности температур поверхности t_с и жидкости t_ж:

42.Что такое коэффициент теплоотдачи, его размерность, как его определить для выполнения расчетов?

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи; его единица измерения Вт/(м²К). Он характеризует интенсивность процесса теплоотдачи. Численное значение его равно тепловому потоку от единичной поверхности теплообмена при разности температур поверхности и жидкости в 1 К.

Коэффициент теплоотдачи обычно определяют экспериментально, измеряя тепловой поток Q и разность температур t = t_c — t_ж в процессе теплоотдачи от поверхности известной площади F. Затем по формуле рассчитывают . При проектировании аппаратов (проведении тепловых расчетов) по этой формуле определяют одно из значений Q, F или При этом находят по результатам обобщения ранее проведенных экспериментов

43.От чего зависит коэффициент теплоотдачи? Порядок его величины для различных случаев теплообмена.

Свободная конвекция в газах	5-10
Свободная конвекция воды	102-103
Вынужденная конвекция газов	10-500
Вынужденная конвекция воды	500-2*104
Кипение воды	2*103-4*104
Жидкие металлы	102-3*104
Пленочная конденсация водяного пара	4*103-104
Капельная конденсация водяного пара	4*104-105

Приведенные значения можно использовать и для оценочных расчетов.

В общем случае зависит:

1) от форм поверхности, его размеров и ориентации в потоке жидкости.

2) от физических свойств жидкости

3) от температуры и скорости жидкости

4) от режима движения жидкости

5) от природы возникновения движения жидкости (свободной и вынужденной конвекции)

6) от направления теплового потока, т.е. от того нагревается или охлаждается жидкость в процессе теплообмена.

7) от шероховатости поверхности и др. факторов.

Диапазоны изменения коэффициентов теплоотдачи: Вт/м²К

44.Почему зависимости для определения коэффициента теплоотдачи представляются в безразмерной форме.

Основная трудность, возникающая при экспериментальном исследовании конвективного теплообмена, заключается в том, что коэффициент теплоотдачи зависит от многих параметров. Например, средний по поверхности коэффициент теплоотдачи от продольно омываемой пластины зависит от длины пластины l, скорости набегающего потока w_ж и теплофизических параметров жидкости:

Если проводить эксперименты, изменяя т раз каждый из шести параметров, влияющих на теплообмен, то суммарное число экспериментов будет N = m⁶, т. е. порядка 10⁶.

Теория показывает, что число параметров зависит от выбора единиц измерения. Наименьшее число параметров получится, если единицы измерения будут связаны с самой решаемой задачей. Так, в качестве единицы длины можно принять не метр, а длину пластины l. Для перевода всех параметров в «новую» систему единиц измерения поделим их на l в той же степени, в которой длина входит в их размерность:

Число параметров в правой части уравнения уменьшилось, так как l/l=1, т. е. мы избавились от того параметра, который приняли за единицу измерения. Если теперь ввести еще три «новых» единицы измерения: для времени l²/v, для массы l³ и, наконец, для отношения тепловой мощности к перепаду температур l (в рассматриваемой системе величин единицы Вт и К раздельно не встречаются, а входят лишь в комбинации Вт/К), то в правой части рассматриваемой зависимости останется всего два безразмерных параметра:

Такие же безразмерные параметры получаются и при анализе теплоотдачи от поверхности трубы, но определяющим размером в них будет не длина l, а диаметр d, соответственно внутренней — при течении жидкости внутри трубы и наружный — при наружном обтекании одной трубы или пучка труб.

Согласно основной теореме метода анализа размерностей (л-теореме) зависимость между N размерными величинами, определяющими данный процесс, может быть представлена в виде зависимости между составленными из них N — К безразмерными величинами, где К — число первичных переменных с независимыми размерностями, которые не могут быть получены друг из друга. В уравнении общее число переменных (включая и ) равно 7, из них четыре первичных (их мы принимали за единицы измерения) соответственно безразмерных чисел в уравнении N-K=7-4=3

Каждый из безразмерных параметров имеет определенный физический смысл. Их принято обозначать первыми буквами фамилий ученых, внесших существенный вклад в изучение процессов теплопереноса и гидродинамики, и называть в честь этих ученых.

представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи.

Число Нуссельта (1887—1957 гг.):

выражает отношение сил инерции (скоростного напора) Fи, = /2 к силам вязкого трения

Безразмерные комплексы обычно не являются точным отношением каких-то сил, а лишь качественно характеризуют их соотношение. В данном случае сила вязкого трения между соседними слоями движущейся в пограничном слое жидкости, действующая на единичную площадку, параллельную плоскости y = 0, равна по закону Ньютона .Заменяя производную отношением конечных разностей (dw/dy) w_ж/ _г, получим , где _г — толщина гидродинамического пограничного слоя. Принимая во внимание, что б_г~1, получаем выражение

При малых числах Re преобладают силы вязкости и режим течения жидкости ламинарной (отдельные струи потока не перемешиваются, двигаясь параллельно друг другу, и всякие случайные завихрения быстро затухают под действием сил вязкости). При турбулентном течении в потоке преобладают силы инерции, поэтому завихрения интенсивно развиваются. При продольном обтекании пластины ламинарное течение в пограничном слое нарушается на расстоянии х_кр от лобовой точки, на котором Re_кр=w_жх_кр/v=5*10⁵.

При течении жидкостей в трубах ламинарный режим на стабилизированном участке наблюдается до Re_кp=wd/ = 2300, а при Re>10⁴ устанавливается развитый турбулентный режим (здесь d — внутренний диаметр трубы).

Число Прандтля (1875—1953):

состоит из величин, характеризующих теплофизические свойства вещества и по существу само является теплофизической константой вещества. Значение числа Рr приводится в справочниках .

В случае естественной конвекции скорость жидкости вдали от поверхности w_ж = 0 и соответственно Re = 0, но на теплоотдачу будет влиять подъемная сила F_п. Это приведет к появлению другого безразмерного параметра — числа Грасгофа:

Оно характеризует отношение подъемной силы, возникающей вследствие теплового расширения жидкости, к силам вязкости.

При исследовании локального теплообмена кроме безразмерных чисел в уравнения войдут безразмерные координаты, представляющие собой отношение обычных координат к определяющему размеру. Для продольно омываемой пластины это будет Х=х/1.

Основная сложность метода анализа размерностей заключается в том, что нужно знать все параметры, влияющие на искомую величину. Для совершенно неисследованных процессов эти параметры находят, проводя предварительные эксперименты. Если же процесс уже описан математически, хотя бы на уровне дифференциальных уравнений, то в эти уравнения, в граничные и начальные условия к ним, очевидно, входят все влияющие на процесс параметры. Приводя к безразмерному виду математическое описание процесса, получают те же самые безразмерные числа. Этим занимается теория подобия. И, наконец, если даже задача решена аналитически, то и в этом случае для удобства анализа построения номограмм решения часто приводят к безразмерному виду. Например, построить графическую зависимость теплового потока через цилиндрическую стенку от всех влияющих на него параметров очень сложно, а зависимость в безразмерной форме выразится с помощью единственной линии. Причем, если бы не было аналитического решения, мы могли бы эту линию построить на основании результатов экспериментов, а затем подобрать вид функции. Не исключено, что в данном случае мы бы угадали логарифмическую зависимость, но при небольшом интервале изменения параметров ее легко спутать с линейной, тем более что экспериментальные точки сами отклоняются от точной кривой из-за погрешности измерений. Никогда нет полной уверенности, что подобранная эмпирическая зависимость точно соответствует неизвестному реальному закону, поэтому область ее применения всегда ограничивается теми интервалами изменения безразмерных параметров, в которых проведен эксперимент.