1.5 Тепловое подобие

Подобие граничных условий описывается с помощью критерия Нуссельта: .

В данный критерий входит определяемая в задачах по конвективному теплообмену величина .

Условие подобия в ядре потока описывается с помощью критерия Фурье, который характеризует связь между скоростью изменения температурного поля, размерами канала, в котором происходит теплообмен, и физическими свойствами среды в нестационарных условиях: .

Критерий Пекле показывает соотношение между количеством тепла, переносимым путем конвекции и теплопроводности при конвективном теплообмене: .

Критерий Прандтля характеризует поле теплофизических величин потока жидкости: .

Критерий Грасгофа вводится при теплообмене в условиях естественной конвекции и показывает меру отношения сил трения к подъемной силе, определяемой разностью плотностей в различных точках потока:

,

где β – коэффициент объемного расширения жидкости, К^-1;

∆t – разность температур горячих и холодных частиц жидкости, вызывающих естественную конвекцию, К.

Необходимыми условиями подобия переноса тепла является соблюдение гидродинамического и геометрического подобия. Первое характеризуется равенством критериев Re в сходственных точках подобных потоков, второе - постоянством отношения основных геометрических размеров стенки L₁, L₂, … ,L_n к некоторому характерному размеру.

Таким образом, с учетом того, что критерий Nu является определяемым, т.к. в него входит искомая величина коэффициента теплоотдачи α, критериальное уравнение конвективного теплообмена выражается в виде:

. (1.6)

Вид функции (1.6) определяется опытным путем, причем обычно ей придают степенную форму. Например, при движении потока в трубе диаметром d и длиной l уравнение (1.6) примет вид:

, (1.7)

где величины с, т, п, р определяются по опытным данным.

Коэффициент теплоотдачи определяется по найденному из критериальных уравнений критерию Нуссельта.

1.6 Движущая сила тепловых процессов

Движущей силой тепловых процессов является разность температур сред, при наличии которой тепло распространяется от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой. В большинстве случаев температура теплоносителя изменяется вдоль теплопередающей поверхности, что приводит к изменению движущей силы процесса, поэтому в основном уравнении теплопередачи должно применяться среднее значение этой величины.

При отношении можно без большой ошибки движущую силу определить как среднеарифметическую, т.е.:

, (1.8)

где – это разность температур теплоносителей на входе и на выходе из теплообменника.

Если же , то движущая сила находится как среднелогарифмическая:

. (1.9)

1.7 Интенсификация переноса теплоты

Для интенсификации переноса теплоты через стенку нужно уменьшить термическое сопротивление теплопередачи. Интенсифицировать конвективный теплообмен и уменьшить сопротивление можно путем увеличения скорости движения теплоносителя, турбулизации пограничного слоя и т. д. Термическое сопротивление теплопроводности r_cm зависит от материала и толщины стенки. Однако, прежде чем выбирать методы воздействия на процесс теплопередачи, необходимо установить вклад отдельных составляющих термического сопротивления. Естественно, что существенное влияние на величину R будет оказывать уменьшение наибольшего из слагаемых.