3. Конвективний теплообмін

Всі випадки конвективного теплообміну можна класифікувати наступним чином: А) вільна конвекція в обмеженому і необмеженому об’ємі; вимушена конвекція;

Б) ламінарний режим, турбулентний режим.

В) повздовжнє омивання пластин, труб; поперечне омивання труб

Г) теплообмін в однофазному середовищі; при кипінні, при конденчації та в двохкомпонентних середовищах

Д) тепловіддача: розріджених газів, металів, при витіканні газу з великими швидкостями, при наявності внутрішніх джерел теплоти.

Для кожного випадку розроблені свої критеріальні рівняння. які дозволяють визначити коефіцієнт конвективного теплообміну.

Розглянемо вільну конвекцію біля нагрітої вертикальної пластинки

Біля нагрітої поверхні повітря нагрівається, розширяється і підіймається вгору. При цьому біля поверхні утворюється граничний шар повітря в якому відбуваються головні процеси тепло і масопереносу.

Інтенсивність процесів вільної конвекції для любих форм поверхонь та середовищ в загальному вигляді характеризується критерієм Грасгофа або добутком критерію Гросгофа на критерій Прандтля . Критеріальне рівняння, яке описує процеси теплообміну при ламінарному режимі руху в довільному перерізі (х) має вигляд:

(3)

Після підстановки виразів для критеріїв Нуссельта і Грасгофа, можемо визначити локальний коефіцієнт конвективного теплообміну:

(4)

Для повітря з температурою 20^оС цю формулу можна дещо спростити. Враховуючи, що:  = 0,0257;  = 1/(273+20);g = 9,81; = 15,0610^-6;Pr = 0,709 одержимо

. (5)

Для знаходження середнього коефіцієнта конвективного теплообміну біля поверхні висотою l необхідно проінтегрувати :

(6)

Після введення спрощуючого припущення, що , одержимо:

(7)

Перехід від ламінарного до турбулентного режиму при температурі повітря 20^оС відбувається на відстані , якій відповідає значення критерію Гросгофа . Підставивши це значення в критерій Гросгофа отримаємо значення

(8)

Підставивши значення в вираз (7) одержимо середнє значення

. (9)

Це значення можна застосовувати в межах всієї області ламінарного режиму.

Аналогічним шляхом знаходять коефіцієнт конвективного теплообміну біля вертикальної нагрітої поверхні для турбулентного режиму. В цьому разі критеріальне рівняння має вигляд:

(10)

Звідки, при температурі 20^оС коефіцієнт конвективного теплообміну знаходимо за формулою: . Оскільки – не залежить від параметра (х) то

(11)

Саме ця залежність і використовується в переважній більшості розрахунків, оскільки область ламінарного режиму порівняно не велика.

Одержані нами формули характерні для плоских нагрітих поверхонь і використовуються переважно при розгляді теплообміну біля стін, вікон та інших поверхонь в приміщеннях.

Теплообмінні апарати.

1. Теплопередача.

2. Класифікація теплообмінних апаратів.

3. Конструктивний і повірочний розрахунок теплообмінника.

1. Теплопередача.

В теплообмінних апаратах відбувається передача теплової енергії від середовища з вищою температурою до середовища з нижчою температурою. Як правило ці середовища розділені одно- або багатошаровою стінкою. Всередині стінки процес передачі теплоти здійснюється шляхом теплопровідності. Біля поверхонь стінки теплообмін здійснюється шляхом конвекції та інфрачервоного випромінення. З практичної точки зору важливо вміти визначати кількість теплоти, що передається від одного середовища до іншого.

Розглянемо плоску стінку з поверхнею F, товщиною δ із матеріалу, що має коефіцієнт теплопровідності λ. Стінка зліва омивається потоком нагрітої рідини з температурою , а з правого боку – холодною рідиною з температурою . В стаціонарному режимі на поверхні стінки встановляться постійні температури та , рис.1.

Кількість тепла. що передається від нагрітого середовища рівна кількості теплоти, що передається через стінку і рівна кількості теплоти, що надходить до охолодженого середовища. Математично це можна записати у вигляді системи рівнянь

(1)

Виразивши з цих рівнянь різниці температур і додавши їх одержимо рівняння

(2)

Величину називають коефіцієнт теплопередачі, а обернену величину – опір теплопередачі . При розрахунку багатошарових стінок необхідно враховувати термічний опір усіх шарів стінки. Тому

(3)

Отже з урахуванням зроблених позначень тепловий потік, що проходить крізь стінку теплообмінного апарата, Вт

. (4)

Головною рушійною силою процесу теплообміну є різниця температур теплообмінних середовищ. В теплообмінних апаратах різниця температур не постійна, вона змінюється по ходу теплоносіїв. Гріючий теплоносій поступово охолоджується, а нагрівний – нагрівається. Для урахування цих особливостей теплообміну застосовують середньоарифметичну або середньо логарифмічну різниці температур.

Середньоарифметична різниця температур використовується при невеликій інтенсивності теплообмінних процесів і малих змінах температур теплообмінних середовищ

, (5)

де різниця теплоносіїв на ході та на виході з теплообмінника, ^ОС.

При інтенсивному теплообміні і великих різницях температур застосовують середньо логарифмічну різницю температур

, (6)

де максимальна і мінімальна різниці теплоносіїв на ході та на виході з теплообмінника, ^ОС.

Теплопередача при змінних температурах залежить від взаємного напрямку руху теплоносіїв відносно один-одного. За цим критерієм виділяють прямоточні, протитечія та перехресні теплообмінники (рис).

Н айбільш ефективно використовується площа поверхні теплообміну в теплообмінниках при протитечії. Крім того, він дозволяє нагріти холодний теплоносій до вищої температури та охолодити гарячий теплоносій до нижчої температури.

Прямотечію застосовують у тих випадках, коли перегрівання чи переохолодження теплоносіїв вкрай не бажане та при високих температурах тепло передаючої поверхні.

Перехресна течія застосовується при великій різниці температур теплоносіїв, у випадку обмеження простору для розташування теплообмінних поверхонь. У цьому випадку застосовується середньоарифметична різниця температур.