6. Расчет коэффициентов теплоотдачи

При выборе расчетных формул для определения коэффициентов теплоотдачи следует особое внимание обратить на физическую природу теплообмена: нагревание, охлаждение, кипение, конденсация и т.п. Все это заранее предопределяет выбор расчетной формулы. Кроме того, следует особое внимание обратить также и на выбор температуры, при которой определяются физические константы теплообменивающихся сред (вязкость, теплопроводность и т.д.), а также выбор характерного размера (определяющего размера). Следует заметить, что все уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи получены обобщением экспериментальных данных. Ниже приводятся уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи.

6.1. Теплоотдача при свободном движении теплоносителя без изменения агрегатного состояния

Этот вид теплоотдачи в литературе называют также естественной конвекцией. Она происходит вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц среды.

При свободном движении теплоносителя в большом объеме тепловой критерий Нуссельта можно вычислить по формуле [12, 14]:

, (6.1)

где - тепловой критерий Нуссельта;

- критерий Грасгофа;

- критерий Прандтля,

– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² · К);

– определяющий размер, м;

– коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м ·К);

– коэффициент объемного расширения К^-1;

– ускорение свободного падения, м/с²;

– разность температур стенки нагреваемой среды;

– коэффициент кинематической вязкости среды м²/с;

– коэффициент динамической вязкости, Па·с;

– удельная теплоемкость теплоносителя при постоянно давлении Дж/(кг·К);

– коэффициент температуропроводности , м²/с.

Численные значения коэффициентов и зависят от произведения критериев и для наиболее распространенных случаев приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 – Численные значения коэффициентов и в зависимости от произведения критериев

Наименование варианта	Значения коэфф.		Область применения
для горизонтальных труб для вертикальных поверхностей а) ламинарный режим б) турбулентный режим	0,5 0,76 0,15	0,25 0,25 0,33	103< < 108 103< < 109 > 109

В формуле (6.1) физические константы при вычислении критериев следует брать при средней температуре теплоносителя , a – при температуре стенки. В качестве определяющего размера для горизонтальных труб принимается внутренний диаметр трубы, а для вертикальных поверхностей – высота труб или плит.

При теплообмене с горизонтальными поверхностями определяющим размером является размер меньшей стороны плиты. При этом значения коэффициента теплоотдачи , рассчитанного по формуле (6.1) увеличивают на 30 %, если теплопередающая поверхность обращена к верху и уменьшают, если она обращена к низу. Свободная конвекция в ограниченном пространстве изучена недостаточно. Процесс теплообмена условно рассматривается как перенос тепла только теплопроводностью в данной среде. Эффективная теплопроводность прослойки жидкости и газа, находящаяся между теплообменивающимися стенками зависит от интенсивности циркуляции среды и приближенно может быть рассчитана по формуле:

, (6.2)

где – коэффициент теплопроводности жидкости (газа), Вт/(м·К);

е_к – коэффициент конвекции.

Если < 10³, то , а при > 10³, то [11, 14, 16, 22, 23].