4.3. Теплообмін конвекцією

Конвекційний теплообмін має велике значення при температурах нижче 600⁰С та швидкості газів 3 – 5 м/с.

Швидкість газів біля стін зменшується і теплота частково передається теплопровідністю. Тому на теплообмін конвекцією впливають такі фактори, як товща прилеглого шару газу, його теплопровідність, характер руху, розміри каналу та властивості димових газів.

α_конв= f (w, D_пр, ρ, μ, ν, λ, С) газу

Кількість теплоти, яка передається конвекцією, знаходять з основного рівняння теплопередачі:

Q_конв= α_конв·(t₁–t₂)·F, Вт

Для знаходження α_конв використовують критерії подібності.

Наприклад, для турбулентного руху газу, що передає тепло (Rе>10000; 50 ), критерій Нусельта – Nu=f(Rе, Рr); його можна розрахувати за формулою:

Nu=0,021·Rе^0,8 ·Рr^0,43·( )^0,25 , (4.17)

де Рr_газ – критерій Прандтля при середній температурі газів,

Рr_ст – критерій Прандтля при середній температурі стіни.

Для повітря та димових газів значення критеріїв Прандтля мають певні значення. Після їх підстановки маємо:

Nu=0,018·Rе^0,8 або =0,018· ,

звідси:

α_конв=0,018· =А·( ) (4.18)

Коефіцієнт А, що показує залежність коефіцієнтів теплопровідності та кінематичної в’язкості від температури, знаходимо за допомогою таблиць [3].

Таким чином, у випадку що розглядається, конвекційний теплообмін в основному залежить від швидкості газу та приведеного діаметра газоходу.

Коли матеріал охолоджується за допомогою димових газів або повітря, то значення α_конв в 1,3 рази більші ніж при нагріванні, тому α_конв розраховують таким же чином, але в цьому випадку Nu=0,0235·Rе^0,8.

Якщо канали коротші ( <50), то в ці формули вводять коефіцієнт φ і формули мають вигляд:

при нагріванні Nu = 0,018·Rе^0,8 ·φ

при охолодженні Nu = 0,0235·Rе^0,8 ·φ

В практичних розрахунках приймають спрощені значення α_конв. Наприклад, у високотемпературних печах [3]:

α_конв=10·w₀ , Вт/м²·град (4.19)

де w₀ – швидкість газів за нормальних умов, м/с.

При вільному рухові повітря уздовж зовнішніх поверхонь печі:

α_конв=А· , (4.20)

де коефіцієнт А в залежності від розташування поверхні має значення:

для стіни – 2,6; склепіння – 3,3; поду – 1,6;

для горизонтальної труби: α_конв=1,1· (4.21)

для вертикальної труби: α_конв=0,72· , (4.22)

де t_зовн, t_пов – температура зовнішньої поверхні огороджень печі та навколишнього повітря, ^оС.

У випадку складного теплообміну, наприклад, при передачі теплоти від газів до внутрішньої поверхні футеровки печі (Q₁) або від зовнішньої поверхні футерівки печі в навколишній простір (Q₂) випромінюванням та конвекцією маємо:

Q₁=α₁·(t_газ–t_вн)=(α_конв+α_випр)·(t_газ– t_вн), Вт/м²

або Q₂=α₂·(t_зовн–t_пов)=(α_конв+α_випр)·(t_зовн–t_пов), Вт/м²

де α_випр у випадку α₁ знаходять за формулою:

α_1випр= =( ·[ – ]) / (t_газ–t_вн), Вт/м²·град (4.23)

α_випр у випадку α₂ знаходять за формулою:

α_2випр= ·[( )⁴–( )⁴], Вт/м²·град (4.24)