Естественная конвекция для вертикальных поверхностей
Для практических расчетов необходимо определять средний коэффициент теплоотдачи. В случае, когда на пластине (трубе) существуют ламинарный, переходный и турбулентный режимы течения в пограничном слое, средний коэффициент теплоотдачи при постоянной температуре стенки определяется следующим образом:
при tc = const |
|
Рис. Свободная конвекция от вертикальной пластинки (ламинарный поток). Показаны изотермы полученные с помощью интерферометра Маха-Цендера
Рис. Порождение турбулентности решеткой. Дымовые проволочки демонстрируют прохождение однородного ламинарного потока через пластинку толщиной 1/16 дюйма с квадратными перфорациями размером 3/4 дюйма. Число Рейнольдса, рассчитанное по однодюймовому размеру ячейки решетки, равно 1500. Неустойчивость сдвиговых слоев приводит к развитию турбулентности вниз по потоку.
Естественная конвекция для горизонтальных поверхностей
Средний коэффициент теплоотдачи на горизонтальной плоской стенке с теплоотдающей поверхностью, обращенной вверх, при tс =const:
при
|
|
при
|
|
;
.
Характерным
размером l
является величина
,
где F
- площадь пластины, Π - ее периметр.
Определяющая
температура
Естественная конвекция для вертикально расположенного цилиндра. Определение коэффициента конвективного теплообмена по критериальному уравнению подобия
Для аналитического определения выполните следующие действия:
- находим характерную
температуру
;
- по этой температуре выбираем теплофизические характеристики жидкости (из Табл.): коэффициент вязкости ν, коэффициент теплопроводности λ, а также число Прандтля Pr;
- рассчитываем
коэффициент объемного расширения β
(для газа
);
- используя теплофизические характеристики воздуха, рассчитываем число Грасгофа по формуле (5.9); где характерным размером является высота трубы l;
- находим число Релея из соотношения
Ra=GrPr; (5.11)
- рассчитываем число Нуссельта из формулы
, (5.12)
где с и n - коэффициенты, зависящие от числа Рэлея. Их определяем из таблицы показанной ниже:
- окончательно, находим коэффициент теплоотдачи из соотношения
. (5.12)
Величина теплового потока составит:
Естественная конвекция для горизонтально расположенного цилиндра
Расчет теплоотдачи
в случае горизонтального цилиндра (
)
выполняется в соответствии с уравнением
.
В этой формуле к
качестве определяющего размера
используется диаметр цилиндра. За
определяющую температуру принимается
температура окружающей среды (жидкости)
.
Рис. Изотермы у горизонтального цилиндра при свободной конвекции. Интерферограмма демонстрирует тепловые пограничные слои, сливающиеся сверху и создающие стационарный ламинарный факел
Естественная конвекция на тонких нагретых проволоках
Средний коэффициент теплоотдачи на тонких нагретых проволоках (пленочный режим имеющий место при очень малых значениях ):
при
|
|
.
Рис. Плоский конвективный факел поднимающийся от нагретой проволоки
Естественная конвекция в узких щелях, плоских и кольцевых каналах
Плотность теплового потока рассчитывается по формуле:
.
Эквивалентный
коэффициент теплопроводности
:
Рис. Изотермы в конвективном движении между соосными цилиндрами
Естественная конвекция в узких щелях, плоских и кольцевых каналах
Для воздушной прослойки, образованной двумя концентрическими сферами, уравнение для определения числа Нуссельта имеет вид
,
где d=δ
- характерный размер. Определяющая
температура равна
.
Вынужденная тепловая конвекция
Общие сведения
Вынужденной конвекцией называется теплообмен, при котором движение жидкости и газа осуществляется принудительным путем. К внешним побудителям можно отнести дымовые трубы печей, насосы, вентиляторы и др. Как и в случае свободной тепловой конвекции, теплообмен происходит между жидкостью (газам) и твердой поверхностью (вынужденное обтекание пластины, цилиндра, шара, трубных пучков и др.)
По характеру движения жидкости теплообмен подразделяют на два режима: ламинарное течение жидкости; турбулентное течение жидкости. Поскольку четкая граница между указанными режимами зависит от целого ряда факторов, выделяют переходную область движения жидкости.
Характер движения жидкости влияет на интенсивность передачи теплоты. При ламинарном режиме и отсутствии естественной конвекции теплота передается только теплопроводностью. При турбулентном режиме перенос теплоты наряду с теплопроводностью происходит в результате перпендикулярного к поверхности перемещения частиц.
Количественное определение коэффициентов теплоотдачи является одной из основных задач теории конвективного теплообмена. Для увеличения коэффициента теплоотдачи необходимо использовать жидкости с высоким значением коэффициента теплопроводности и принимать меры, приводящие к сокращению толщины теплового пограничного слоя (увеличение скорости течения жидкости, плотности, шероховатости поверхности, внешних возмущений, уменьшение вязкости жидкости).