Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплогазоснабжение и вентиляция. Учебное пособие для студентов направления «Строительство» профиля «Экспертиза и управление недвижимостью»
.pdf
F
R
tt
Q
n
n
1
11
ldF
cpcp
cp
d
Тепловой поток Q, Вт, через многослойную плоскую
стенку определяется по формуле
.
Для расчета теплового потока через однослойную или
многослойную цилиндрическую стенку, если толщина ее
по сравнению с диаметром незначительна, можно пользоваться формулами для плоской стенки. При этом F под-
считывается как
, где
– средний диаметр
цилиндра между наружной и внутренней поверхностями
его стенки.
91
Плотность теплового потока, проходящего через все
слои, в стационарном режиме одинакова, а коэффициент
теплопроводности слоев различен, следовательно, более
резко температура меняется в слоях с меньшей теплопроводностью.
Рассчитав тепловой поток через многослойную стенку,
можно определить падение температуры в каждом слое по
соотношению и найти температуры на границах всех слоев. Это очень важно при использовании в качестве теплоизоляторов материалов с ограниченной допустимой температурой.
Конвекция – перенос тепла внутри жидких или газообразных сред вместе с их материальными частицами
(представляет собой перенос тепла в результате перемещения и перемешивания частиц жидкости и газа). Конвекция
всегда сопровождается теплопроводностью.
Если перемещение частиц жидкости или газа обуславливается разностью их плотностей, то такое перемещение
называют естественной конвекцией. При естественной
конвекции нагретые объемы теплоносителя поднимаются,
охладившиеся – опускаются. Например, отопительный
прибор системы центрального отопления соприкасается с
воздухом, который получает от него тепло и поднимается,
92
уступая место более холодному воздуху. Таким образом,
тепло вместе с воздухом передается от прибора в другие
части помещения.
Если жидкость или газ перемещается с помощью насоса, вентилятора и других устройств, то такое перемещение
называют вынужденной конвекцией. Теплообмен происходит в этом случае значительно интенсивнее, чем при
естественной конвекции.
При перемещении жидкости или газа возможны два
режима течения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме отдельные струйки жидкости, перемещаясь в одном и том же направлении, не перемешиваются.
При турбулентном режиме каждая частица потока, участвуя в общем поступательном движении, совершает также
различные поперечные движения. Поэтому турбулентный
поток представляют часто состоящим из регулярного течения и наложенного на него хаотического пульсационного
течения.
Характер течения потока предопределяет механизм
переноса теплоты в нём. При ламинарном потоке, перенос
теплоты в направлении, нормальном к направлению течения осуществляется теплопроводностью, а при турбулентной теплопроводности и конвекцией, причём преобладание
93
того или иного вида зависит от степени турбулентности
потока.
В технике широко распространенным сложным явлением теплообмена является теплоотдача. Теплоотдача
представляет собой процесс переноса теплоты между поверхностью твердого тела и движущейся текучей средой.
Поток жидкости, омывающий твёрдое тело может
быть разбит на две области: пограничный слой I и внешний поток II.
Пограничным слоем называется область течения вязкой теплопроводной жидкости у поверхности твёрдого тела. Эта область характеризуется малой толщиной и большим поперечным градиентом скорости и температуры.
Рис. 3.1. Схема развития пограничного слоя
1 – ламинарный гидродинамический пограничный слой; 2 –
переходное течение; 3 – турбулентное течение
94
Наряду с гидродинамическим пограничным слоем в
потоке может образовываться тепловой пограничный слой.
Это слой жидкости или газа, непосредственно участвующий в теплоотдаче, благодаря чему температура в слое меняется от температуры, близкой к температуре стенки, до
температуры, близкой к температуре среды во внешнем
потоке. Тепловой пограничный слой характеризуется
большим поперечным градиентом температуры, под действием которого и осуществляется процесс переноса теплоты.
Тепловой поток Q, Вт, передаваемый при конвективном теплообмене, определяется по формуле Ньютона
где α – коэффициент пропорциональности, называемый
коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м2 .К);
t
– температура теплоносителя, оС;
ж
t
– температура поверхности стенки, оС;
ст
F – поверхность соприкосновения теплоносителя со
стенкой, м2.
Приняв F=1 м2, получим плотность теплового потока
q, Вт/м2:
95
Из этого уравнения можно определить разность tж-tст и
1
qtt
жcm
температуру стенки tст :
где 1/α – термическое сопротивление стенки при теплоотдаче.
Вт/(м2.К) и представляет собой количество тепла, проходящего в единицу времени от жидкости (газа) к стенке)
(или наоборот) через 1 м2 поверхности при разности температур жидкости и стенки 1о. В отличие от коэффициента
теплопроводности λ коэффициент теплоотдачи α – очень
сложная величина, которой учитываются следующие факторы, обусловливающие протекание конвективного теплообмена: характер движения жидкости или газа (ламинарное или турбулентное) и природа его возникновения; скорость движения жидкости или газа ω; физические парамет-
Коэффициент теплоотдачи α имеет единицу измерения
,
ры жидкости или газа (коэффициент теплопроводности λ,
вязкость μ, плотность ρ, теплоемкость ср, коэффициент
объемного расширения β, температура жидкости или газа и
поверхности tж, tст; форма Ф и линейные размеры омываемой жидкостью или газом поверхности l1, l2, l3…).
96
Кинематическая вязкость ν=μ/ρ [м2/c=(Па·с)/(кг/м3)]
непосредственно влияет на силы трения, оказывающие затормаживающее действие на теплые восходящие потоки
среды. Чем больше вязкость, тем слабее перемещение теплых слоев жидкости или газа в пространстве, тем меньшее
количество тепла будет отводиться от нагретых поверхностей.
С увеличением коэффициента теплопроводности среды λж отвод тепла от поверхности тела увеличивается, коэффициент теплоотдачи при этом возрастает.
Свойство жидкости и газа изменять свой объем при
нагревании характеризуется термическим коэффициентом
объемного расширения βж. Большие подъемные силы возникают в той среде, которая сильно меняет свой объем при
нагреве, что ведет к более интенсивному движению среды
и увеличению теплоотдачи.
Движение свободного потока теплоносителя вдоль
охлаждаемой вертикальной поверхности в нижней части
имеет слоистый (ламинарный) характер, выше – переходный, а затем – вихревой (турбулентный). Режим течения
определяется главным образом температурным напором, с
увеличением которого сокращается длина участка, занятого ламинарным потоком, и увеличивается зона вихревого
97
движения. На участке ламинарного движения местный коэффициент теплоотдачи уменьшается в соответствии с
увеличением толщины ламинарного слоя теплоносителя. В
зоне вихревого движения местный коэффициент теплоотдачи имеет одинаковое значение для всей поверхности.
Большое количество размерных переменных, определяющих величину коэффициента теплоотдачи, их сложное
взаимное влияние друг на друга и бесконечное множество
сочетаний вызывают трудности с обработкой громадного
экспериментального материала и представлением значений
коэффициента в виде справочных таблиц, графиков и т.п.
Для упрощения обработки результатов экспериментальных исследований или организации расчетов, для моделирования технических устройств, а также для получения обобщенных зависимостей по результатам отдельных
опытов или численных расчетов применительно к целому
ряду подобных явлений или устройств, теорией подобия
вводятся безразмерные комплексы, называемые критериями (числами) подобия. Теория подобия также определяет
необходимые и достаточные условия подобия физических
явлений.
Критерии подобия – безразмерные числа, составленные из размерных физических величин, определяющих
98
рассматриваемые физические явления и дающих смысловое значение тому или иному критерию подобия.
Числа подобия, составленные из величин, заданных
при математическом описании процесса, являются определяющими критериями подобия, а числа подобия, содержащие определяемую величину, - определяемыми.
Между критериями подобия, характеризующими рассматриваемое физическое явление, существует функциональная зависимость – критериальное уравнение подобия.
Для определения величины α для различных случаев
конвективного теплообмена предложено несколько эмпирических формул, имеющих, однако, ограниченную область применения. Значительно лучшие результаты дает
определение величины α на основе эксперимента с использованием критериев подобия – безразмерных соотношений
параметров, характеризующих физический процесс.
Критерий Нуссельта, Nu=αl/λ, или критерий теплоотдачи, характеризует интенсивность теплоотдачи на границе жидкость (или газ) – твердое тело и всегда является величиной искомой.
Критерий Рейнольдса, Re=ωlρ/μ, представляет собой
отношение сил инерции к силам внутреннего трения и характеризует гидродинамический режим движения жидко-
99
сти. При Re<2300 движение ламинарное, при Re>104 –
турбулентное, при 2300<Re>104 режим движения переходный – от ламинарного к турбулентному.
Критерий Прандтля, Рr=μcpg/λ, характеризует физические свойства жидкости (или газа) и способность распространения тепла в жидкости (или газе).
Критерий Грасгофа, Gr= βgℓ
3
Δt/ν2, учитывает подъем-
0
ные силы, возникающие в жидкости (или газе) вследствие
разности плотностей их частиц и вызывающие так называемую свободную конвекцию. Здесь ν=μ/ρ – коэффициент
кинематической вязкости, м2/с; g – ускорение свободного
падения, равное 9,81 м/с2; Δt – абсолютная величина – разность температур поверхности стенки и жидкости (или газа), между которыми происходит теплообмен, град.
Для теплоотдачи существует функциональная зависимость между определяемой обобщенной переменной Nu и
определяющими переменными Re, Gr, Pr:
Nu= f (Re, Gr, Pr).
При вынужденной конвекции не учитывают влияние
свободной конвекции, поэтому числом Грасгофа можно
пренебречь.
Nu= f (Re, Pr)
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]