52.Теплообмен при свободной конвекции в большом объёме

Предполагается, что жидкая или газообразная среда простирается в бесконечность по нормали к поверхности внесенного в нее твердого тела. При этом выделяют свободную конвекцию у вертикального расположения пластины (плиты, стены) или трубы и свободную конвекцию у горизонтально расположенной трубы.

При термической свободной конвекции у вертикальной поверхности нагретого тела (), начиная от нижней кромки, течение в пограничном слое сначала ламинарно. На некотором расстоянии от нижней кромки толщина ламинарного пограничного слоя становится большой, его устойчивость потока теряется и течение в пограничном слое становится локонообразным. Еще выше оно становится турбулентным .

Интенсивность теплообмена на выделенном участке плиты зависит от протяженности находящегося на нем ламинарного, локонообразного или турбулентного течений.

Критериальные формулы для описания теплообмена при свободной конвекции должны иметь вид связи между числом Нуссельта и критерием Рэлея (1)

Зависимости для вертикальной плиты или трубы при постоянной температуре их поверхности T_W = const таковы:

а) для диапазона 10³ < Ra < 10⁹

(2)

б) для значений Ra > 10⁹

(3)

где и – средние значения числа Нуссельта и коэффициента теплоотдачи на участке высотою H, отсчитанной от нижней кромки; Ra=gH³(T_W – )Pr/² – критерий Рэлея; – температурный фактор.

Для горизонтально расположенной трубы в диапазоне 10³ < Ra < 10⁸ опытные данные при T_W = const аппроксимируются зависимостью

(4)

где и – средние значения Nu и по периметру трубы с наружным диаметром d; – критерий Рэлея.

При постоянной плотности теплового потока q_W = const через поверхность омываемого тела интенсивность теплоотдачи несколько больше (примерно на 7 %), чем при T_W = const.

В формулах (2)–(4) теплофизические характеристики среды выбираются по температуре движущейся среды , а разность температур T_W – подставляется по модулю.

53.Тепловая изоляция труб и цилиндрических сосудов: обоснование выбора толщины изоляции

Тепловая изоляция конструкций различного назначения и, прежде всего, трубопроводов, а также цилиндрических и сферических сосудов имеет целью уменьшение проходящего через них теплового потока. Этого можно достичь в том случае, если в результате нанесения на поверхность тела теплоизолирующего материала величина термического сопротивления конструкции возрастает.

а Рис.1.21 б

Рассмотрим фрагмент конструкции до нанесения тепловой изоляции (рис. 1.21, а) и после ее нанесения (рис. 1.21, б).

термическое сопротивление неизолированной конструкции равно

, (1.100)

а после нанесения слоя изоляции на ее наружную поверхность

, (1.101)

где  _из – коэффициент теплопроводности теплоизолирующего материала.

Изменение термического сопротивления изолированной конструкции равно

. (1.102')

Функция согласно (1.102') равна сумме двух слагаемых, имеющих разные знаки. С ростом первое из этих слагаемых возрастает, а второе – уменьшается. Физический смысл такого их поведения состоит в том, что первое слагаемое в (1.102')

представляет собой термическое сопротивление переносу тепла теплопроводностью через тепловую изоляцию, возрастающее с увеличением . Второе же слагаемое в (1.102') представляет собой изменение термического сопротивления переносу тепла конвекцией со стороны окружающей конструкцию наружной среды, вызванное увеличением площади наружной поверхности (для цилиндра и шара, когда ) вследствие нанесения тепловой изоляции, убывающее с увеличением , т.к имеет место неравенство

Очевидно, что нанесение тепловой изоляции должно приводить к тому, чтобы изменение термического сопротивления конструкции было положительной величиной , так как именно это и дает уменьшение теплового потока через теплоизолированную конструкцию.