Контрольні питання

1. Вкажіть види теплообміну?

2. Що таке теплопровідність?

3. Основний закон теплопровідності.

4. Що розуміють під коефіцієнтом теплопровідності, від яких факторів він залежить?

5. Як визначається тепловий потік через плоску стінку?

6. Що таке термічний опір?

7. Як визначається тепловий потік теплопровідністю через циліндричну стінку?

8. Які матеріали називають теплоізоляторами? Наведіть приклади.

9. Яка основна особливість структури теплоізоляційних матеріалів?

10. Визначення теплового потоку крізь багатошарову плоску та циліндричну стінки.

Конвекційний теплообмін

Конвекційний теплообмін це процес переносу тепла макрочастинами речовини. Такий процес теплообміну характерне для передачі теплоти між поверхнею твердого тіла або поверхнею розділу фаз і рідиною або газом, що рухається, ї називається тепловіддачею. Поверхня тіла, через яку переноситься теплота, зветься поверхнею теплообміну.

На інтенсивність тепловіддачі великий вплив чинить швидкість руху теплоносія відносно поверхні теплообміну. У зв'язку з цим розрізняють вимушену і вільну конвекцію. Вимушена конвекція відбувається під дією зовнішніх сил (насос, вентилятор, вітер) прикладених на границях систем. Вільна конвекція з'являється під дією неоднорідного поля зовнішніх сил (сил гравітаційного, електричного або інерційного поля), прикладених до рідини усередині системи.

Обмежимося розглядом тільки стаціонарних процеси руху рідини і тепловіддачі. Умовою стаціонарності є незмінність швидкості і температури в будь-якій точці рідини.

У залежності від фізичних властивостей рідини процес тепловіддачі протікає по-різному. Особливий вплив на теплообмін чинять наступні фізичні параметри: теплопровідність , питома теплоємність с, густина і коефіцієнт кінематичної в'язкості ν .

Істотний вплив на процес конвекційного теплообміну має характер руху рідини. Внаслідок наявності тертя в рідинах(газах) – в’язкості, біля поверхні тіла утворюється прошарок рідини, що характеризується малою (у порівнянні з подовжніми розмірами області) товщиною і великим поперечним градієнтом швидкості, який називають пограничним шаром(рис.3.6). Незважаючи на малу товщину пограничного шару, він обумовлює процес переносу кількості руху, теплоти і речовини.

Рис.3.6. Гідродинамічний пограничний шар на пластині при повздовжньому обтіканні пластини.

Пограничний шар, що характеризується великим градієнтом подовж­ньої складової швидкості, унаслідок якого здійснюється поперечний перенос кількості руху , називають динамічним.

У межах теорії пограничного шару потік рідини, що омиває тверде тіло, розділяють умовно на дві області: пограничний шар і зовнішній потік. В напрямку рух потоку товщина пограничного шару росте поки швидкість його не досягне значення швидкості зовнішнього потоку.

Течія рідини в пограничному шарі може бути ламінарною, турбулентною або перехідною від першого режиму до другого. При турбулентному пограничному шарі безпосередньо біля стінки спостерігається тонкий шар рідини з ламінарним рухом — так званий ламінарний підшар, в ньому перемішування окремих струменів рідини в поперек потоку не відбувається внаслідок теплота передається виключно теплопровідністю.

Дослідження показали, що інтенсивний процес теплообміну між твердим тілом і рідиною відбувається в тонкому шарі, який прилягає до поверхні тіла. Аналогічно поняттю гідродинамічного пограничного шару було введено поняття теплового пограничного шару. Він характеризується великим поперечним градієнтом температури, під дією якого здійснюється поперечний перенос теплоти. У межах теплового пограничного шару температура змінюється від значення, рівного температурі на поверхні стінки, до значення, рівного температурі далеко від стінки, тобто ядра потоку (рис.3.7)

Товщини гідродинамічного і теплового пограничних шарів і у загальному випадку не збігаються.

Рис.3.7. Схема теплового пограничного шару

В тепловому пограничному шарі передача теплоти здійснюється теплопровідністю відповідно до закону Фур'є:

(3.29)

де n — нормаль до поверхні тіла;

λ_f – коефіцієнт теплопровідності рідини.

Щоб визначити тепловий потік, необхідно знати закономірності зміни параметрів (температури, швидкості) біля стінки.

Процес тепловіддачі є складним процесом, а інтенсивність тепловіддачі залежить від численних величин, що можуть змінюватись при теплообміні. Тому аналітичне або числове рішення являє собою важку задачу. Тому на практиці частиш використовують запропоноване Ньютоном та Ріхманом співвідношення, за яким тепловий потік конвекції вважається прямо пропорційним різниці температур рідини та поверхні.

, Вт/м² (3.30)

де, α – коефіцієнт тепловіддачі від поверхні (стінки) до повітря, Вт/м²·К;

t_s, t_f – відповідно температури поверхні та рідини або газу, ⁰С.

Внаслідок значних складностей по визначенню коефіцієнта аналітичними методами його визначають експериментально. З метою узагальнення результатів дослідів використовується теорія подібності, відповідно до якої в подібних явищах рівні критерії подібності – безрозмірні комплекси. Критерії подібності поєднують певні величини, які характеризують явище, яке розглядається. Математичний вираз критеріїв досягається приведенням диференціальних рівнянь, які описують процес до безрозмірного виду. Найбільш використовуваними критеріями в теплотехніці є:

а) Критерій Рейнольдса – це критерій гідродинамічної подібності, він характеризує співвідношення між силами інерції та тертя (силами в’язкості) в потоці

(3.31)

де υ – середня швидкість потоку, м/с;

ν – кінематична в’язкість рідини (газу) , м² /с

d - визначальний розмір, м

б) Критерій Нусельта – безрозмірний коефіцієнт теплообміну конвенцією

(3.32)

де λ – коефіцієнт теплопровідності рідини (газу) в пристінному шарі, Вт/м К.

в) Критерій Грасгофа – характеризує ефективність підйомної сили при вільній конвекції

(3.33)

де β – коефіцієнт об’ємного розширення (для газів β=1/Т), 1/К;

∆t – різниця температур між поверхнею та рідиною (газом), К

г) Критерій Прандтля – характеризує теплофізичні властивості рідини

(3.34)

де a – коефіцієнт температуропроводності

a=λ/с·ρ, м² /с (3.35)

В теорії теплообміну також використовується критерії Паскаля(Ра), Біо(Ві), Фур’є ( Fо) та інші.

У відповідності до теорії подібності, в подібних процесах теплообміну повинні бути рівними критерії Нусельта (Nu). Таким чином, для визначення коефіцієнта тепловіддачі слід визначити критерій Nu. Останній розраховується через критерії, які є визначальними для даного типу теплообміну.

Так для вимушеного руху рідини та газів це критерії Рейнольдса (Re) і Прандтля (Pr), тобто

. (3.36)

Для напірного руху в трубах така залежність має вигляд:

. (3.38)

В умовах тепловіддачі при вільному русі рідини

. (3.39)

Для горизонтальної трубки

, (3.40)

при Gr Pr від 10³ до 10⁸

Слід пам’ятати, що критеріальні залежності визначені мають певні межі використання та особливості розрахунку і визначення певних величин. Теплофізичні властивості визначаються при середній температурі пристінного шару, тобто при

. (3.41)

Тепловіддача при конденсації пари

Конденсацією називають процес переходу речовини з газоподібного стану в рідкий стан. Конденсація насиченої або перегрітої пари відбувається, якщо її температура нижче температури насичення при даному тиску. Розрізняють плівкову і краплинну конденсацією.

Плівкова конденсація — це процес переходу пари в рідку на ліофільній (що добре змочується рідиною) поверхні твердого тіла з утворенням плоскої плівки конденсату.

Краплинна конденсація — це процес переходу середовища з газоподіб­ного стану в рідкий на ліофобній (що не змочується рідиною) поверхні твер­дого тіла. При цьому на поверхні тіла утворюються краплі конденсату.

При плівковій конденсації можливий ламінарний і турбулентний режим течії. Так, на вертикальній стінці конденсату товщина плівки росте і під дією сили ваги плівка стікає вниз. На початку має місце ламінарний рух, а в міру збільшення товщини плівки течія плівки переходить у турбулентний режим.

Коефіцієнт тепловіддачі при плівковій конденсації водяної пари при атмосферному тиску досягає значення α= 1·10³...12·10³ Вт/(м²К).

При краплинній конденсації на вертикальній стінці крапельки рідини згодом ростуть, скочуючись вниз, захоплюють інші краплі. При краплинній конденсації водяної пари атмосферного тиску коефіцієнт тепловіддачі досягає значення 40·10³...100·10³ Вт/(м^2·К).

Тепловіддача при кипінні рідини

Кипінням називається процес утворення пари усередині об'єму рідини. Якщо температура поверхні тіла (t_п > t_н), де t_н — температура насичення рідини при даному тиску, то буде проходити кипіння цієї рідини. Окрім перегріву рідини (t_п > t_н ) кипінню рідини сприяють утворення пухирців в окремих точках поверхні, так званих центрах пароутворення. Ці центри виникають унаслідок наявності мікрорельєфу поверхні, абсорбованого на поверхні газу, присутні в окремих точках різні неоднорідності, наприклад, піщинки.

Розрізняють два основних режими кипіння — бульбашковий і плів­ковий. Бульбашковим кипінням називають таке кипіння, при якому пара утворюється у вигляді пухирців, що зароджуються і ростуть.

Плівковим кипінням називається кипіння, при якому на поверхні нагрівання утворюється суцільна плівка пари, що періодично проривається в об'єм рідини. Шар мало теплопровідної пари, що покриває поверхню, помітно зменшує інтенсивність теплообміну, тому перехід від бульбашкового кипіння до плівкового при постійній густині теплового потоку може супроводжуватися різким зростанням температури поверхні нагрівання (має місце криза теплообміну).

При збільшенні температурного напору тепловий потік росте і при деякому значенні він досягає максимального, так званого першого критичного значення. Ця ділянка з ростом поділяється на області конвективного теплообміну і бульбашкового кипіння (рис.3.8). Для води при атмосферному тиску величина першого критичного теплового потоку складає приблизно q_кр = 1,2 ·10⁶ Вт/м². Відповідно значення температурного напору _кр = 25...35 °С.

Рис.3.8. Залежність питомого теплового потоку q і коефіцієнта теплопередачі від перегріву рідини:

1 — область конвекційного теплообміну однофазної рідини; 2 — область бульбашкового кипіння; З — перехідна область; 4 — область плівкового кипіння.

При подальшому підвищенні температури тепловий потік зменшується; при цьому настає перехідний режим кипіння. При великих значеннях уся поверхня нагрівання покривається суцільною плівкою пари, що відтискує рідину від поверхні. При цьому настає плівковий режим кипіння. Для води, що кипить на технічних металевих поверхнях при атмосферному тиску, початок плівкового кипіння має місце при температурному напорі

_кр 150 °С.