2.2. Конвективті жылу алмасу

ДӘРІС КОНСПЕКТІСІ

2.2.1. Ньютон-рихман теңдеуі және конвективті жылу алмасудың жылу беру коэфициенті.

конвективті жылу алмасу деп – сұйықтар мен қатты денелердің бетіеің арасындағы жылу тасымалдауды айтады. бұл кезде конвекция және жылу өткізгіштік жылу алмасу бір мезгілде өтеді.

жылу беру процессі табиғи (еркін) және мәжбүрлік (еріксіз) конвективтік тасымалдау болуы мүмкін.

табиғи (еркін) конвекция – біріңғай емес өрісте, сыртқы массалық күш әсерінен (магниттік, инерциялық, гравитациялық күштер) сұйыққа жүйе ішінен жылу беру арқылы пайда болады.

мәжбүрлік конвекция – сыртқы бет қабат немесе біріңғай өріс күштерінің әсерінен жүйе ішіндегі сұйыққа жылу беру арқылы пайда болады. сондай-ақ мәжбүрлік конвекция кинетикалық энергия арқылы пайда болады. конвективті жылу алмасудың қарқындылығы жылу беру коэфициенті б арқылы да сипатталады және ол ньютон-рихман формуласымен анықталады.

f = б*f(t_с – т_қ) немесе q=б(t_с – т_қ), (2.2.1)

мұндағы б – жылу беру коэфициенті, вт/ (м²*к); f- жылу алмастырушы беттің ауданы, м²; т_с- газдың немесе сұйықтың температурасы, к; ф –жылу ағыны, вт; т_қ-қабырға бетінің температурасы,к; q – жылу ағынының тығыздығы, вт/ м².жылу беру коэфициенті б көптеген факторларға байланысты болады: сұйықтың қозғалыс түріне х, физикалық параметрлеріне (л_с, с_с, с_с, м_с), сұйықтың жылдамдығына w_с және температурасына т_с, жылу беруші бетінің формасына, қабырға бетінің температурасына т_қ, және басқа шамаларға байланысты. сұйықтықтың қозғалысы екі режімге бөлінеді: ламинарлық және турбуленттілік.

Сұйықтықтың қозғалыс режімін рейнольдс саны арқылы анықтайды.

r_е= , (2.2.2)

мұндағы щ_{с –} сұйықтықтың орта жылдамдығы, м/с, l(d)- құбырдың сызықтық өлшемі немесе құбырдың диаметрі d,м v_с – сұйықтықтың кинематикалық тұтқырлығы, м²/с

r_е=2300 мәніне дейін құбырдағы сұйық ағыны ламинарлы болып қалады, ал ең үлкен мәнінде r_{ен >}10⁴ онда ағын турбуленттілік болады.

2.2.2 Ұқсастық теория негіздері

.2.1 ҰҚСАСТЫҚ ТЕОРИЯСЫНЫҢ МАҢЫЗЫ

әртүрлді физикалық құбылыстарды зертттеуде екі түрлі әдіс қолданылады; теориялық және тәжірбиелі. бірақ іс жүзінде мәселені нәтежиелі шешуде осы әдістерді бір-бірінен бөлек пайдалануға мүмкін емес.

егер осы екі әдістің нәтежиелі жағын біріктірсе, онда әртүрлі физикалық құбылыстарды зерттеуге арналған универсалды аппаратты алуға болады. осындай екі әдісті біріктіруде ұқсастық теориясы қолданылады.

ұқсастық теориясы – құбылыстар мен процесстерді зерртейтін ілім және теориялық тәжірбиелік іздеу әдістерінің арасын біріктіруші буын.

ұқсастық теориясы жылу алмасу процесінде, тәжірбие өткізу және тәжірбие нәтежиесін қортындылауда ғылыми негіз болады.

2.2.2.2 Ұқсастық критерийлері (сандары)

мұндай өлшем шамалары комплексті, тұрақтылықтың ұқсастығы 1^ге-тең ұқсастық критериясы деп аталады. мысалы, (щ_е*d)/n_с шамасы - рейнольдс саны, бұл сұйықтықтың қозғалу режімін сипаттайды. сонымен ұқсастық критериясы өлшемсіз сан, іздеп жатқан физикалық құбылысты анықтаушы физикалық өлшемді шама.

ГИДРОДИНАМИКАЛЫҚ ЖӘНЕ ЖЫЛУЛЫҚ ҰҚСАСТЫҚ КРИТЕРИЙЛЕРІ

гидродинамикалық және жылулық құбылыстың қосындысы конвективті жылу беру процессін анықтайды. гидродинамикалық ұқсастық критерийлер негізгі және туынды критерийлер деп бөлінеді.

негізгі критерийлер біріншіден н_е – ньютон, f_r –фруда, e_и –эйлер, r_e – рейнольдс және h_o – гидродинамикалық гомохрон. туынды критерийлерде көбінесе мына сандар пайдаланады g_a - галилей, a_r -архимед және g_r – грасгоф.

негізгі критерийлерге жылу процесінде көбінесе жылу беру және жылу өткізгіштік құбылыстарды талдағанда мына сандар жатады nu – нуссельт, f_o- фурье, p_e – пекле, b_i – био, ал туынды санға p_r – прандтль , s_t – стентон және басқалар.

конвективті жылу алмасу негізінен төрт ұқсастық санымен сипаттлады nu, r_e , g_r , p_r

нуссельт саны (1887-1957 жж):

=ьl/л (2.2.3)

осындай (2.2.3) шаманы нуссельт критерийсі деп атайды; нуссельт саны қабырға мен сұйықтың арасындағы жылу алмасу қарқынын сипаттайды. нуссельт критерийесінде анықтайтын шамаға кіреді.

мұндағы – орта жылу беру коэффициенті, вт/(м² к); l – геометриялық өлшем, м; л– жылутасымалдағыштың (сұйықтың) жылу өткізгіштігі, вт/(м² к)

рейнольдс саны (сұйықтықтың қозғалу режімінің критерийісі 1840-1912 жж);

r_e = щ_с *l/v_с (2.2.4)

екпінді күштің (ағын жылдамдығының) тұтқырлық үйкеліс күшіне қатнасын және сұйықтың қозғалысын анықтайды.

мұндағы

щ_с – сұйықтың жылдамдығы, м/с

х_с – сұйықтың кинематикалық тұтқырлық коэффициенті, м²/с

прандтль саны (1875-1953жж)

p_r= = ссг/л (2.2.5)

үйкелістегі жылу алмасуды ескереді және сұйықтың физикалық параметрін сипаттайды.

мұндағы б_с – сұйықтықтың температура өткізгіштік коэфициенті м²/с; л – сұйықтың жылу өткізгіштік коэфициенті вт/(м к); с – сұйықтың меншікті жылу сыйымдылығы, кдж/ (кг*к)

грасгоф саны:

g_r =g*в (т_қ-т_с)l³ /х² (2.2.6)

грасгоф саны еркін қозғалыс кезіндегі гидродинамикалық жағдайды сипаттайды:

мұндағы в =1/t_с - сұйықтың көлемдік ұлғаю коэффициенті;