Белорусский национальный технический университет
Кафедра ЮНЕСКО “Энергосбережение и возобновляемые источники энергии”
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Лекция 10. Основы конвективного теплоообмена
ТП |
Лекция 10 |
Конвективный перенос теплоты возможен только в текучей среде (жидкости, газе) и неразрывно связан
с переносом (движением) самой среды. Конвекция теплоты – это процесс переноса
внутренней энергии среды при перемещении её объёмов (макрочастиц) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой.
Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, связанной с хаотическим
тепловым движением молекул в движущейся среде. Совместный процесс переноса теплоты в
движущейся среде конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.
Рассмотрим движение кубической макрочастицы жидкости единичного объёма V = 1×1×1 = 1 м3 со скоростью w через
нормальную к ней поверхность. Масса жидкости в частице равна m = ρV = ρ кг, а её энтальпия – h = ρсрt Дж.
w
Частица полностью пройдёт через контрольную поверхность,
т.е. переместится на длину своего ребра 1 м за время 1/w c. При этом объёмный и массовый расходы жидкости (объём / масса,
проходящие через единицу площади поверхности 1×1 = 1 м2 в
единицу времени) составит |
Q V |
3 |
1 2 w |
|||||
|
м/с = м |
/(м |
с) |
|||||
|
|
|
1 w |
|
||||
|
G |
V |
2 |
|
|
w |
||
|
|
|
|
|
||||
|
кг / (м с) |
|
|
|
||||
|
|
|
|
1 w |
|
|||
Плотность конвективного теплового потока
жидкость
, cp, t
w |
|
|
|
n |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если массовый расход жидкости через единицу контрольной поверхности в единицу времени составляет
кг/(мG2с), w
то плотность теплового потока, обусловленная конвекцией,
q wh wc t
конвВт/м2. p
Конвективный перенос всегда сопровождается теплопроводностью в жидкости
q qтпр Вт/мqконв2. t wcpt
ТЕПЛООТДАЧА – процесс конвективного теплообмена между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела.
Закон Ньютона – Рихмана
Плотность теплового потока при теплоотдаче пропорциональна разности температур между
поверхностью стенки и жидкостью вдали от поверхности
qc = (tc – tж), Вт/м2
qc ,
Вт/(м2∙К) – коэффициент теплоотдачи,
tcж t
численно равный плотности теплового потока на границе тела и жидкости, отнесённой к разности температур поверхности тела и жидкости вдали от поверхности.
ТП |
Лекция 10 |
Коэффициент теплоотдачи
в общем случае зависит от большого количества факторов:
oформы и размеров тела;
oрежима течения жидкости;
oскорости и температуры жидкости;
oфизических параметров жидкости;
oнаправления теплового потока (к или от поверхности) и т.д.
6
Свободная и вынужденная конвекция
Чтобы привести жидкость в движение, к ней необходимо приложить силу. В общем случае на все частицы жидкости могут действовать массовые (или объёмные) и поверхностные силы:
oмассовые (объёмные) силы обусловлены действием внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного) и приложены ко всем частицам жидкости;
oповерхностные силы приложены к поверхности макрочастицы жидкости и являются результатом воздействия окружающей жидкости или поверхности твердого тела (силы трения, давления).
При свободной конвекции движение жидкости возникает вследствие неоднородного распределения массовых сил в
рассматриваемом объёме. Например, в поле земного тяготения неоднородное распределение температуры и, как следствие, плотности жидкости приводит к возникновению подъёмной (выталкивающей) силы, действующей на более нагретые макрочастицы жидкости.
Свободная конвекция теплоты
Вынужденная конвекция
возникает при перемещении объёма жидкости за счёт работы, подводимой насосом (вентилятором), под воздействием поверхностных сил, приложенных на границах объёма.
G, Р0 |
Р1 Р2 = Р1 – P |
|
|
|
|
|
|
|
P
Вынужденная конвекция возникает также под действием однородного поля массовых сил, например,
при течении плёнки жидкости по вертикальной стенке в поле сил тяжести.
Вынужденная конвекция может сопровождаться свободной, вклад которой тем выше, чем больше неравномерность температуры в жидкости и меньше
скорость вынужденного движения.
9
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ
На процесс конвективного теплообмена влияют теплофизические свойства жидкости / газа: теплопроводность и температуропроводность а, удельная теплоёмкость ср, плотность , а также к-ты
вязкости (динамический и кинематический ν). Для каждого вещества эти свойства различны и по- разному зависят от параметров состояния: p, v и особенно T.
Все реальные жидкости / газы обладают вязкостью, что проявляется в возникновении силы внутреннего трения между макрочастицами или слоями жидкости, движущимися с разными скоростями, которая
противодействует движению.