Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен – Технарь

Теплоотдача (конвективный теплообмен) — это процесс теплового взаимодействия между поверхностью твердого тела и жидкой (газообразной) средой, омывающей эту поверхность. Перенос тепла связан с переносом массы самой жидкости, поэтому конвекция возможна только в тех средах (включая жидкие металлы), частицы которых легко перемещаются.

Движение жидкости различают естественное и вынужденное. Естественная (свободная) конвекция возникает из-за разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости.

Теплая жидкость (имея меньшую плотность) всплывает, холодная — опускается.

Интенсивность естественной конвекции зависит от разности температур холодной и теплой жидкости, от тепловых условий процесса, объема пространства и рода жидкости.

Вынужденное (побудительное) движение возникает из-за разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором, компрессором или другим побудителем движения.

В общем случае вынужденное и естественное движения могут развиваться совместно. При этом влияние естественного движения будет тем больше чем выше разность температур и чем меньше скорость вынужденного движения.

Количество тепла Q, передаваемого при конвективном теплообмене, можно рассчитать по формуле Ньютона:

где a — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·град);

F — площадь греющей (охлаждающей) поверхности омываемой жидкостью, м2;

tс — температура стенки, °C;

tж — температура жидкости, °C.

Количество передаваемого тепла пропорционально площади стенки и разности температур стенка – жидкость. Интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи из формулы Ньютона можно определить как количество тепла, переданное в единицу времени через единицу площади теплообменной поверхности при разности температур между стенкой и жидкостью в один градус:

Примерные значения коэффициентов теплоотдачи лежат в пределах:

• при естественной конвекции в газах a = 1…20 Вт/(м2·град);
• при естественной конвекции в воде a = 100…1000 Вт/(м2·град);
• при вынужденном движении газов a = 10…500 Вт/(м2·град);
• при вынужденном движении воды a = 500…10000 Вт/(м2·град);
• при кипении воды a = 2000…40000 Вт/(м2·град);
• при пленочной конденсации воды a = 4000…15000 Вт/(м2·град);
• при капельной конденсации воды a = 40000…120000 Вт/(м2·град).

Теплоотдача является сложным процессом, а коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин, характеризующих процесс теплообмена:

где V — скорость жидкости, омывающей стенку,

tс, tж — средняя температура стенки и средняя температура жидкости;

λ, Cp, p, μ, α — физические свойства жидкости: теплопроводность, теплоёмкость, плотность, динамическая вязкость и температуропроводность жидкости соответственно;

Ф — форма омываемой фигуры;

l1, l2, l3 — размеры омываемой фигуры.

Теплоносителями могут быть как газообразные (воздух, газы, пар…), так и жидкие (вода, топливо, масла, нефть, жидкие металлы…) среды.

Дифференциальные уравнения теплообмена включают уравнения теплопроводности, уравнения движения, уравнения сплошности, уравнения теплоотдачи, уравнения однозначности (краевые условия).

Краевые условия в свою очередь состоят из геометрических условий, характеризующих форму и размеры системы, в которой протекает процесс; физических условий, характеризующих физические свойства среды и тела, граничных условий, характеризующих особенности протекания процесса на границе твердое тело — жидкость, временных условий, фиксирующих изменение процесса теплообмена во времени.

Если мы рассмотрим уравнение Фурье, описывающие процесс переноса тепла внутри тела:

где dF — площадь поверхности твердого тела, омываемой жидкостью, и сопоставим его с уравнением Ньютона, описывающим количество тепла, переходящего от твердой стенки в жидкость (или обратно — от жидкости к твердой стенке)

то при стационарном процессе эти количества равны, и можно записать

Откуда

Это уравнение, позволяющее по известному полю температур определить коэффициент теплоотдачи, называют дифференциальным уравнением теплоотдачи. Но уравнением этим практически не пользуются из-за сложности определения поля температур.

К настоящему времени аналитические решения системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена получены только для некоторых простейших задач и то при введении многих упрощающих предпосылок. Поэтому процессы теплоотдачи изучают экспериментально.

Но провести эксперименты при колоссальном многообразии условий невозможно, и на помощь исследователям приходит теория подобия и теплового моделирования, позволяющая распространять результаты эксперимента на другие области подобных в тепловом отношении явлений.

Источник: https://tehnar.net.ua/konvektivnyiy-teploobmen/

Конвективный теплообмен

1. Основные понятия конвективного теплообмена:

конвекция, конвективный теплообмен, коэффициент теплоотдачи, термическое сопротивление теплоотдачи, сущность процессов конвективного теплообмена

2. Циклонные топки

3. Газообразное топливо

4. Задача

1. Основные понятия конвективного теплообмена

Конвекция, конвективный теплообмен, коэффициент теплоотдачи, термическое сопротивление теплоотдачи, сущность процессов конвективного теплообмена.

Конвекцией называют процесс переноса теплоты при перемещении макрочастиц (газа или жидкости). Поэтому конвекция возможна лишь в среде, частицы которой могут легко перемещаться.

Конвективным называют теплообмен, обусловленный совместным действием конвективного и молекулярного переноса теплоты. Другими словами, конвективный теплообмен осуществляется одновременно двумя способами: конвекцией и теплопроводностью.

Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой (твердым телом, жидкостью или газом) называют теплоотдачей.

Главной задачей теории конвективной теплоотдачи является определение количества теплоты, которое проходит через поверхность твердого тела, омываемого потоком. Результирующий поток теплоты всегда направлен в сторону уменьшения температуры,

При практических расчетах теплоотдачи пользуются законом Ньютона:

Q= б F(tж-tcт) (15-1)

т. е.

тепловой поток Q от жидкости к стенке или от стенки к жидкости пропорционален поверхности F, участвующей в теплообмене, и температурному напору (tж — tст, где tст — температура поверхности стенки, а tж— температура среды, омывающей поверхность стенки. Коэффициент пропорциональности б, учитывающий конкретные условия теплообмена между жидкостью и поверхностью тела, называют коэффициентом теплоотдачи.

Приняв по формуле (15-1) F=1м², а ф =1 сек, получим плотность теплового потока в ваттах на квадратный метр;

q= б (tж-tcт) (15-2)

Величину 1/б обратную коэффициенту теплоотдачи, называют термическим сопротивлением теплоотдачи.

б = q : (tж-tcт) (15-3)

Из равенства (15-3) следует, что коэффициент теплоотдачи, а есть плотность теплового потока q , отнесенная к разности температур поверхности тела и окружающей среды.

При температурном напоре, равном 1°(tж-tcт=1°), коэффициент теплоотдачи численно равен плотности теплового потока б = q

Теплоотдача является достаточно сложным процессом и коэффициент теплоотдачи, а зависит от многих факторов, основными из которых являются:

а) причина возникновения течения жидкости;

б) режим течения жидкости (ламинарный или турбулентный);

в) физические свойства жидкости;

г) форма и размеры теплоотдающей поверхности.

По причине возникновения движения жидкости, бывает свободным и вынужденным.

Свободное движение (тепловое) возникает в неравномерно прогрето» жидкости. Возникающая при этом разность температур приводит к разности плотностей и всплыванию менее плотных (более легких), элементов жидкости, что вызывает движение.

В этом случае свободное движение, называют естественной или тепловой конвекцией.

Так, например, теплообмен между внутренним и внешним стеклами оконной рамы осуществляется естественной конвекцией (при условии, что расстояние между стеклами достаточно для циркуляции воздуха).

2. Циклонные топки

Циклонные топки предназначены для сжигания дробленого угля. Схема такой топки представлена на рис. 19-8. Дробленый уголь с первичным воздухом подается через штуцер I в циклонную камеру 2.

В нее же тангенциально подается вторичный воздух, который поступает через штуцер 3 со скоростью около 100 м/сек, В камере создается вращающийся поток продуктов горения, отбрасывающий крупные частички топлива на ее стены, где они под действием горячих воздушных потоков газифицируются.

.Из циклонной камеры продукты горения с недогоревшими частицами топлива поступают в камеру дожигания 4. Шлак из циклонной камеры через камеру дожигания поступает в шлаковую ванну, где он гранулируется водой.

Достоинствами циклонных топок являются:

1)возможность горения топлива с небольшим избытком воздуха1,05—1,1, что снижает потери теплоты с отходящими газами;

2)повышенная удельная тепловая мощность топочного объема;

3)возможность работы на дробленом угле (вместо пылевидного);

4)улавливание золы топлива в топке до 80—90%.

К недостаткам циклонной топки относятся:

1) трудность сжигания высоковлажных углей и углей с малым выходом летучих веществ;

2) повышенный расход энергии на дутьё.

3. Газообразное топливо

Естественное. Природный (естественный) газ встречается во многих местах земного шара.

Запасы газового топлива в некоторых месторождениях достигают сотен миллиардов кубических метров. Его добывают не только из специальных газовых скважин, но и как побочный продукт при добыче нефти. Такой природный газ называют попутным нефтяным газом.

Основной составной частью природного газа является метан СН4.

Природный газ обладает высокой теплотой сгорания. Его используют в качестве топлива для промышленных печей, автотранспорта, а также для бытовых нужд.

Часть природного газа подвергают химической переработке для получения жидкого топлива, технологического газа, химического сырья.

В СССР крупные газоносные районы расположены в Поволжье, на Северном Кавказе, Украине, в Зауралье и др.

Искусственное. Искусственное газовое горючее (коксовый, мазутный, генераторный газы) получают при переработке нефти и естественного твердого топлива, а также в качестве побочного продукта в сырья.. Газообразное топливо.х углей и углей с малым выходом летучих веществ;лообмен, коэффициент теплоотдачи, термическое снекоторых отраслях промышленного производства, как, например, в доменном.

Доменный газ образуется в доменных печах при выплавке чугуна. Примерно половина полученного газа расходуется на собственные нужды доменной печи. Вторая половина газа может быть использована в качестве топлива.

Задача

Условие: Какое количество теплоты необходимо подвести к 1кг. воздуха с t =20С, чтобы его объем при постоянном давлении увеличился в два раза.

Вопрос: Определить температуру воздуха в конце процесса, теплоемкость воздуха –постоянная.

1) t = 25C – согласно IS- диаграммы.

2) Т = t +273=298К

3) Т = t +273=293К

Объем конечный вычислить так:

Vк = Vн х 2 = 0,058х2=0,116м²

Определить количество теплоты по формуле:

Q = mc(Т -Т) =1,5х1,005(298-293)= =7,537

где m-масса кг. – по заданию 1.5кг, с-теплоемкость кДж (кгС) из таблицы- 1,005кДж/кг.

Ответ: необходимо подвести теплоту в количестве Q =7,537,температура воздуха в конце процесса составит 25С.

Источник: https://mirznanii.com/a/322734/konvektivnyy-teploobmen

Термодинамика. Теплообмен

Теплообмен — это самопроизвольный (т. е. совершаемый без принуждения) процесс передачи теплоты, происходящий между телами с разной температурой.

Можно сказать, что теплообмен — один из способов изменения внутренней энергии тела. Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекцию и лучистый теплообмен.

Теплопроводность

Теплопроводность — это вид теплопередачи, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц (молекул, атомов) более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части.

Рассмотрим ряд опытов с нагревом твердого тела, жидкости и газа.

Закрепим в штативе толстую медную проволоку, а к проволоке прикрепим воском или пластилином несколько гвоздиков. При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск плавится, и гвоздики постепенно отпадают от проволоки. Причем сначала отпадают те, что находятся ближе к пламени, затем по очереди все остальные. Объясняется это следующим обра­зом.

Сначала увеличивается скорость движения тех частиц металла, которые находятся ближе к пламени. Температура проволоки в этом месте повышается. При взаимодействии этих частиц с соседними скорость последних также увеличивается, в результате чего повышается температура следующей части проволоки. Затем увеличивается скорость движения следующих частиц и т. д.

, пока не прогреется вся проволока.

Следует помнить, что при теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела, пере­носится лишь энергия.

Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмем пробирку с водой. Положим в нее кусочек льда и станем нагревать верхнюю часть пробирки. Вода у поверхности скоро закипит. Лед же на дне пробирки за это время почти не растает. Значит, у жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и жидких металлов.

Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твердых телах.

Исследуем теплопроводность газов. Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышко. Палец при этом долго не чувствует тепла.

Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел. Следовательно, теплопроводность газов еще меньше.

Итак, теплопроводность различных веществ различна.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, особенно серебро и медь.

Если теплопроводность различных веществ сравнивать с теплопроводностью меди, то окажется, что у железа она меньше примерно в 5 раз, у воды — в 658 раз, у пористого кирпича — в 848 раз, у свежевыпавшего снега — почти в 4000 раз, у ваты, древесных опилок и овечьей шерсти — почти в 10 000 раз, а у воздуха она меньше примерно в 20 000 раз. Плохой теплопроводностью обладают также воло­сы, перья, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, ручки для кастрюль, сковородок изготавливают из пластмассы.

Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а зна­чит, предохраняют помещения от охлаждения.

На применении вакуума в качестве теплоизоля­ционного «материала» основано устройство термоса, или сосуда Дьюара, который был изобретен в 1892 г. английским ученым Джеймсом Дьюаром.

Конвекция. Конвективный теплообмен

Конвекция (от лат. convectio — доставка) — это перенос массы в результате перемещения газа или жидкости.

Существуют различные виды конвекции. Мы рассмотрим свободную и вынужденную конвекции.

Свободная конвекция в газе или жидкости возникает тогда, когда имеются небольшие области, в которых плотность отличается от плотности основной окружающей их массы вещества.

Тогда в условиях земного тяготения под действием силы Архимеда эти области начинают переме­щаться.

Примером свободной конвекции является всем известное движение воздуха в помещении, в котором топится печь, имеется радиатор или другой источник тепла.

Поясним сказанное на примерах.

Поместив руку над горячей плитой или горящей электрической лампочкой, можно почувствовать, что над ними поднимаются теплые струи воздуха. Небольшая бумажная вертушка, пос­тавленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться.

Это явление можно объяснить таким образом. Часть воздуха, которая соприкасается с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотной, чем окружающий ее более холодный воздух. Под действием архимедовой (выталкивающей) силы эта более теплая часть воздуха начинает подниматься вверх.

Ее место заполняет холодный воздух. Через некоторое время, прогревшись, этот слой воздуха также поднимается вверх, уступая место следующей порции воздуха, и т. д. Это и есть конвекция. В результате перемещения более теплых слоев воздуха происходит перенос тепла (т. е.

энергии), или конвективный теплообмен.

Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Нагретые слои жидкости, менее плотные и поэтому более легкие, вытесняются вверх более тяжелыми, холодными слоями.

Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь, нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой жидкостью. Благодаря такому движению жидкость равномерно прогревается.

Это становится наглядным, если на дно колбы с водой бросить несколько кристалликов марганцовокислого калия, который окрашивает воду в фиолетовый цвет.

Вынужденная конвекция вызывается внешним механическим воздействием на среду.

Примерами ее являются обычное перемешивание жидкости ложечкой, движение воздуха в комнате под действием вентилятора, течение жидкости в трубе под действием гидронасоса и т. д.

Физические процессы, происходящие при вынужденной конвекции, связанной с движением тел с большими скоростями в атмосфере, моделируются в аэродинамических трубах, где воспроизводится обтека­ние неподвижных моделей потоком воздуха.

Таким образом, конвективный теплообмен может осуществляться в газообразной и жидкой среде при условии, что имеется разность температур между частями этой среды.

Для осуществле­ния эффективного конвективного теплообмена в земных условиях в жидкостях и газах их следует прогревать снизу.

Если их прогревать сверху, конвекция не происходит, ведь теплые слои и так находятся сверху и опуститься ниже холодных, более тяжелых, они не могут.

В отсутствие силы тяжести (в ракете, спутнике, межпланетном корабле) конвекция наблюдаться не будет. Следовательно, пользоваться там, например, спичками и газовыми горелками нельзя: продукты сгорания затушат пламя.

Конвекция в твердых телах происходить не может, поскольку частицы в них колеблются около определенной точки, удерживаемые сильным взаимным притяжением. В связи с этим при нагревании твердых тел потоки вещества в них образовываться не могут. Энергия в твердых телах передается теплопроводностью.

Лучистый теплообмен

Лучистый теплообмен — это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами.

Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящими­ся вокруг нас.

Так, например, сидя около костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена — лучистый теплообмен.

Возьмем небольшую, закопченную с одной стороны, колбу.

Через пробку в нее вста­вим изогнутую под прямым углом стеклянную трубку. В эту трубку, имеющую узкий канал, введем подкрашенную жидкость. Укрепив на трубке шкалу, получим прибор — термоскоп. Этот прибор позволяет обнаружить даже незначительное нагревание воздуха в закопченной колбе.

Если к темной поверхности термоскопа поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то столбик жидкости переместится вправо. Очевидно, воздух в колбе нагрелся и расши­рился.

Быстрое нагревание воздуха в термоскопе можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Как и в случае с костром, энергия здесь передалась не теплопроводностью и не конвективным теплообменом.

Энергия в данном случае передалась с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением.

Лучистый теплообмен может происходить в полном вакууме. Этим он отличается от других видов теплообмена.

Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка. Но чем выше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение. Излученная энергия, достиг­нув других тел, частично поглощается ими, а частично отражается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Светлые и темные поверхности поглощают энергию по-разному.

Так, если в опыте с термоскопом повернуть колбу к нагретому телу сначала закопченной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в первом случае переместится на большее расстояние, чем во втором (см. рисунок выше).

Из этого следует, что тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию (и, следовательно, сильнее нагреваются), чем тела со светлой или зеркаль­ной поверхностью.

Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию.

Способность по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в техни­ке. Например, воздушные шары и крылья самолетов часто красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами.

Если же нужно использовать солнечную энергию (например, для нагревания некоторых прибо­ров, установленных на искусственных спутниках), то эти устройства окрашивают в темный цвет.

Источник: https://www.calc.ru/Termodinamika-Teploobmen.html

Конвективный теплообмен – это… Что такое Конвективный теплообмен?

        процесс переноса тепла, происходящий в движущихся текучих средах (жидкостях либо газах) и обусловленный совместным действием двух механизмов переноса тепла — собственно конвективного переноса и теплопроводности (См. Теплопроводность). Таким образом, в случае К. т.

распространение тепла в пространстве осуществляется за счёт переноса тепла при перемещении текучей среды из области с более высокой температурой в область с меньшей температурой, а также за счёт теплового движения микрочастиц и обмена кинетической энергией между ними.

В связи с тем, что для неэлектропроводных сред интенсивность конвективного переноса очень велика по сравнению с теплопроводностью, последняя при ламинарном течении (См. Ламинарное течение) играет роль лишь для переноса тепла в направлении, поперечном течению среды. Роль теплопроводности при К. т. более значительна при движении электропроводных сред (например, жидких металлов).

В этом случае теплопроводность существенно влияет и на перенос тепла в направлении движения жидкости. При турбулентном течении (См. Турбулентное течение) основную роль в процессе переноса тепла поперек потока играет пульсационное перемещение турбулентных вихрей поперек течения жидкости. Участие теплопроводности в процессах К. т.

приводит к тому, что на эти процессы оказывают существенное влияние теплофизические свойства среды: коэффициент теплопроводности, Теплоёмкость, Плотность.         В связи с тем, что в процессах К. т.

важную роль играет конвективный перенос, эти процессы должны в значительной мере зависеть от характера движения жидкости, то есть от значения и направления скорости среды, от распределения скоростей в потоке, от режима движения жидкости (ламинарное течение либо турбулентное). При больших (сверхзвуковых) скоростях движения газа на процессы К. т. начинает влиять распределение давления в потоке.

Если движение жидкости обусловлено действием некоторого внешнего побудителя (насоса, вентилятора, компрессора и т.п.), то такое движение называют вынужденным, а происходящий при этом процесс К. т. — вынужденной конвекцией.

Если движение жидкости вызвано наличием неоднородного поля температуры, а следовательно, и неоднородной плотности в среде, то такое движение называют свободным или естественным, а процесс К. т. — свободной или естественной конвекцией. На практике встречаются и такие случаи, когда приходится учитывать как вынужденную, так и свободную конвекцию (См. Конвекция).

         Наиболее интересным с точки зрения технических приложений случаем К. т. является конвективная теплоотдача, то есть процесс двух К. т., протекающий на границе раздела двух фаз (твердой и жидкой, твердой и газообразной, жидкой и газообразной). При этом задача расчета состоит в нахождении плотности теплового потока на границе раздела фаз, то есть величины, показывающей, какое количество тепла получает или отдает единица поверхности раздела фаз за единицу времени. Помимо указанных выше факторов, влияющих на процесс К. т., плотность теплового потока зависит также от формы и размеров тела, от степени шероховатости поверхности, а также от температур поверхности и теплоотдающей или тепловоспринимающей среды.

         Для описания конвективной теплоотдачи используется формула:

         qcт = α(Т0—Тст),

         где qcт — плотность теплового потока на поверхности, вт/м2; α — коэффициент теплоотдачи, вт/(м2∙°С); T0 и Тст — температуры среды (жидкости или газа) и поверхности соответственно. Величину T0 — Тст часто обозначают ΔТ и называется температурным напором (См. Температурный напор). Коэффициент теплоотдачи α характеризует интенсивность процесса теплоотдачи; он возрастает при увеличении скорости движения среды и при переходе от ламинарного режима движения к турбулентному в связи с интенсификацией конвективного переноса. Он также всегда больше для тех сред, у которых выше коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплоотдачи существенно повышается, если на поверхности происходит фазовый переход (например, испарение или конденсация), всегда сопровождающийся выделением (поглощением) скрытой теплоты. На значение коэффициент теплоотдачи сильное влияние оказывает Массообмен на поверхности.         Основной и наиболее трудной проблемой в расчётах процессов конвективной теплоотдачи является нахождение коэффициента теплоотдачи α. Современные методы описания процесса К. т., основанные на теории пограничного слоя (См. Пограничный слой), позволяют получить теоретические (точные или приближённые) решения для некоторых достаточно простых ситуаций. В большинстве же встречающихся на практике случаев коэффициент теплоотдачи определяют экспериментальным путём. При этом как результаты теоретических решений, так и экспериментальные данные обрабатываются методами подобия теории (См. Подобия теория) и представляются обычно в следующем безразмерном виде: Nu = f (Re, Pr) — для вынужденной конвекции и Nu = f (Gr, Pr) — для свободной конвекции,         где Nu = L — характерный размер потока, λ — коэффициент теплопроводности); Re = Рейнольдса число, характеризующее соотношение сил инерции и внутреннего трения в потоке (u — характерная скорость движения среды, υ — кинематический коэффициент вязкости); Pr = Прандтля число, определяющее соотношение интенсивностей термодинамических процессов (α — коэффициент температуропроводности); Gr = Грассхофа число, характеризующее соотношение архимедовых сил, сил инерции и внутреннего трения в потоке (g — ускорение свободного падения, β — термический коэффициент объёмного расширения).

         Процессы К. т. чрезвычайно широко распространены в технике (энергетике, холодильной технике, ракетной технике, металлургии, химической технологии), а также в природе (перенос тепла в атмосфере, в морях и океанах).

         Лит.: Эккерт Э.-Р., Дрейк Р.-М., Теория тепло- и массообмена, пер. с англ., М. — Л., 1961; Гухман А. А., Применение теории подобия к исследованию процессов тепло- и массообмена (Процессы переноса в движущейся среде), М., 1967; Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С., Теплопередача, М., 1969.

         В. А. Арутюнов.

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/97636/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B9

2. Конвективный теплообмен

Под конвекциейпонимают распространение теплоты всреде с неоднородным распределениемтемпературы, осуществляемоемакроскопическими частицами жидкостипри ее перемещении.

Как мы уже с вамиотмечаем, в чистом виде конвекция вприроде не встречается, а всегдасопровождается теплопроводностью.Поэтому можно дать следующее определениеконвективному теплообмену.

Конвективныйтеплообмен это совместный процесспереноса теплоты теплопроводностью иконвекцией в движущейся жидкости илигазе.

Для практикинаибольший интерес представляет случайконветивного теплообмена между твердымтелом и соприкасающейся с ним жидкостьюили газом. (Например радиатор автомобиля,батарея отопления дома, холодильник,отопление кабины и т. д.) Этот процессназывается конвективной теплоотдачейилипросто теплоотдачей.

Процесс конвективнойтеплоотдачи имеет наиболее широкое втепловых машинах и аппаратах и являетсявесьма сложным. Он зависит от многихфакторов, основными из которых являются

1.Теплоотдачазависит от физических свойств температурытеплоносителя (жидкости) “tж”и стенки “tст”

Непосредственнона теплоотдачу имеют влияние следующиефизические свойства жидкости(теплоносителя):

– λ,-коэффициент теплопроводности;

– Cp,-теплоемкость;

– ρ,-плотность жидкости;

– , -коэффициент температуропроводности,он характеризует темп измененияв различных точках жидкости по временипри нестационарных процессах;

– вязкостьжидкости– которая характеризуетсилы внутреннего трения между слоямижидкости. Различают динамический икинематический коэффициенты вязкости.

µ, -динамический коэффициент вязкости;

ν=µ/ρ,-кинематический коэффициент вязкости;

– коэффициентобъемного расширения – он характеризует относительноеизменение объема при нагревании жидкостина 1 К приp=constДля идеальных газов,.

Перечисленныефизические свойства для различныхтеплоносителей различны. Их значениеприводятся в справочниках. При выбореих необходимо учитывать, что все онизависят от Т, а некоторые от давленияp.Так например µдля капельных жидкостей с повышениемтемпературы уменьшается, а для газовувеличивается.

2. Теплоотдачазависит от природы возникновения ирежима движения жидкости.Это связанос тем, что конвективный теплообмензависит от распределения температур впотоке. В свою очередь характертемпературного поля определяетсяраспределением скоростей в потоке, т.е.скоростным полем, зависящем от режиматечения.

По природевозникновения различают вынужденноеи свободное движение жидкости.

Свободное движениевозникает за счет разности плотностейхолодных и нагретых частей жидкостипод действием гравитационных сил.(например вокруг нагретой трубы или надплитой наблюдается свободное движениевоздуха вверх)

Вынужденноедвижениевызывается вентиляторами,насосами и другими возбудителямидвижения. Вынужденное движение всегдасопровождается свободным, однако прибольших скоростях последним можнопренебречь.

При перемещениижидкости возможны 2 основных режиматечения: ламинарный и турбулентный.

При ламинарномдвиженииотдельные струйки жидкости,перемещаясь в одном и том же направлениине перемешиваются (все частицы движутсяпараллельно стенкам канала в одномнаправлении).

При турбулентномрежиметечения каждая частица потока,участвующая в общем поступательномдвижении, кроме того совершает и различныепоперечные движения (происходитпостоянные пульсации значенияи изменения их мгновенных направлений).

При пульсации скорости и перемещениявихрей из одной области течения в другуюпроисходит перенос механической энергии.

Если в движущемся потоке наблюдаетсянеоднородностьtполя,то упомянутые явления приводят кпереносу теплоты в следствии чегонаблюдаются и температурные пульсации.

Однако притурбулентном режиме не вся масса жидкостидвижется завихренно. Около стенки из –за вязкого трения жидкости возникаетламинарный пограничный слой.

Этот пограничныйслой, в котором скорость потока меняетсяот “0”на стенке до скоростиосновного потока называетсягидродинамическим пограничным слоем.

Для него характернымалая толщина и большие поперечныеградиенты скорости.

Режим движенияжидкости и толщина пограничного слоязависят от скорости потока (Re104– турбулентный); диаметра (размеров)канала, плотностиρивязкости µ жидкости.

Режим движенияжидкости определяет механизм переносатеплоты. При ламинарномдвижениитеплота от потока жидкости к стенкепереносится только теплопроводностью,т.к. частицы жидкости движутсяпараллельностенкам. Учитывая малые значениякоэффициента теплопроводностиλдля жидкостей и газов можно сделатьвывод, что при ламинарном режиметеплоотдача будет слабой.

При турбулентномрежиме течения, благодаря перемешиваниюжидкости теплота переносится конвекциейи теплопроводностью. Теплоотдача в этомслучае будет более интенсивной.

Однакоогромное влияние на нее будет оказыватьламинарный пограничный подслой. Онбудет составлять основное термическоесопротивление и задерживать теплоотдачу.

Чем меньше δr– тем интенсивнее теплоотдача.

Наряду сгидродинамическим пограничным слоемв потоке может образовываться и тепловойпограничный слой.

Это слой жидкостиили газа непосредственно участвующий в теплоотдаче, благодаря чему температурав этом слое меняется отtcтдоtж.

Тепловойпограничный слой характеризуетсябольшим поперечным градиентом температуры,под действием которого и осуществляетсяперенос теплоты.

Тепловойпограничный слой может не совпадать потолщине с гидродинамическим. Напримеру вязких жидкостей толщина тепловогопограничного слоя значительно меньшечем гидродинамического. У газов онипрактически совпадают.

3. Теплоотдачазависит от tcт– температуры твердой стенки, её размеров(площади поверхностей) и расположенияеё по отношению к потоку жидкости.

т.е. форма ирасположение поверхности по отношениюк потоку жидкости могут быть разными.В каждом конкретном случае возникаютразные режимы течения и режимы теплоотдачибудут разными.

Таким образом мыможем сделать вывод, что тепловой потокпри конвективной теплоотдаче являетсясложной функцией многих переменных.

Q=f(ω;tc;tж;λ;ρ;Cp;α;β;µ;l­1;l2;…;F­)

Источник: https://studfile.net/preview/1546985/

КОНВЕКТИ́ВНЫЙ ТЕПЛООБМЕ́Н

Авторы: В. В. Ягов

КОНВЕКТИ́ВНЫЙ ТЕПЛООБМЕ́Н, про­цесс пе­ре­но­са энер­гии (те­п­ло­ты) ме­ж­ду по­верх­но­стью кон­ден­си­ро­ван­ной фа­зы (обыч­но твёр­дой) и дви­жу­щей­ся жид­ко­стью. В тео­рии те­п­ло­об­ме­на тер­ми­ном «жид­кость» обо­зна­ча­ют как ка­пель­ную жид­кость, так и газ. К. т.

все­гда вклю­ча­ет мо­ле­ку­ляр­ный пе­ре­нос энер­гии (те­п­ло­про­вод­ность) и соб­ст­вен­но кон­век­цию, т. е. пе­ре­нос энер­гии, вы­зван­ный мак­роско­пич. пе­ре­ме­ще­ни­ем в про­стран­ст­ве объ­ё­мов жид­ко­сти. Со­вме­ст­ное дей­ст­вие двух ме­ха­низ­мов пе­ре­но­са те­п­ло­ты обу­слов­ли­ва­ет за­ви­си­мость К. т.

как от ре­жи­ма те­че­ния жид­ко­сти (ла­ми­нар­но­го или тур­бу­лент­но­го), так и от её те­п­ло­фи­зич. свойств (ко­эф. те­п­ло­про­вод­но­сти, те­п­ло­ём­кость и др.). Раз­ли­ча­ют К. т. при ес­те­ст­вен­ной (сво­бод­ной) и вы­ну­ж­ден­ной кон­век­ции. Ес­ли К. т.

со­про­во­ж­да­ет­ся фа­зо­вы­ми пе­ре­хо­да­ми (кон­ден­са­ция па­ра, ки­пе­ние жид­ко­сти), то, в от­ли­чие от К. т. в од­но­фаз­ной сре­де, его на­зы­ва­ют К. т. при фа­зо­вых пре­вра­ще­ни­ях. Ин­тен­сив­ность те­п­ло­об­ме­на в этом слу­чае обыч­но сла­бо за­ви­сит от ско­ро­сти те­че­ния. В учеб­ной и на­уч.

лит-ре обыч­но ана­ли­зи­ру­ют от­дель­но К. т. в од­но­фаз­ной сре­де и те­п­ло­об­мен при фа­зо­вых пре­вра­ще­ни­ях (см. Те­п­ло­об­мен). К. т. на по­верх­но­сти ка­пель­ной жид­ко­сти обыч­но со­про­во­ж­да­ет­ся пе­ре­но­сом мас­сы од­но­го или не­сколь­ких хи­мич. ком­по­нен­тов че­рез меж­фаз­ную гра­ни­цу, т. е.

мас­со­об­ме­ном. Про­цесс со­вме­ст­но­го пе­ре­но­са те­п­ло­ты и мас­сы на­зы­ва­ют те­п­ло­мас­со­об­ме­ном.

При ана­ли­зе К. т. раз­ли­ча­ют за­да­чи внеш­ние (об­те­ка­ние тел по­то­ком жид­ко­сти) и внут­рен­ние (те­че­ние жид­ко­сти в ка­на­лах, те­п­ло­об­мен в ка­ме­рах порш­не­вых ма­шин и др.).

Для внеш­них за­дач из-за не­воз­мож­но­сти оп­ре­де­ле­ния рас­хо­да жид­ко­сти, уча­ст­вую­щей в те­п­ло­об­ме­не, те­п­ло­вой ба­ланс не со­став­ля­ет­ся, для внутр. за­дач он – обя­за­тель­ная часть ана­ли­за. Це­лью тео­ре­тич. ана­ли­за К. т.

яв­ля­ет­ся рас­чёт тем­пе­ра­тур­но­го по­ля в жид­ко­сти, для че­го не­об­хо­ди­мо ре­шить сис­те­му диф­фе­рен­ци­аль­ных урав­не­ний со­хра­не­ния мас­сы, им­пуль­са и энер­гии. Ана­ли­тич. ре­ше­ния по­лу­че­ны лишь для про­стой гео­мет­рии об­те­кае­мых тел и толь­ко для ла­ми­нар­ных те­че­ний. В инж.

за­да­чах оп­ре­де­ля­ют ко­эф. те­п­ло­от­да­чи (КТО) – плот­ность те­п­ло­во­го по­то­ка при тем­пе­ра­тур­ном на­по­ре (раз­но­сти тем­пе­ра­тур по­верх­но­сти и жид­ко­сти), рав­ном 1 К. КТО был вве­дён как ко­эф.

про­пор­цио­наль­но­сти $α$ в со­от­но­ше­нии, на­зы­вае­мом за­ко­ном Нью­то­на – Рих­ма­на:$$q=αΔT, $$где $q $ – плот­ность те­п­ло­во­го по­то­ка на по­верх­но­сти, Вт/м2, $ΔT=T_п-T_ж$ – тем­пе­ра­тур­ный на­пор, К.

Ес­ли по­ле темп-р оп­ре­де­ле­но тео­ре­ти­че­ски, то КТО (с учё­том за­ко­на те­п­ло­про­вод­но­сти Фу­рье) вы­чис­ля­ют как $\alpha=|(\lambda/\Delta T) (\partial T/\partial y)_{y=0}|$, где$\lambda$ – ко­эф. те­п­ло­про­вод­но­сти жид­ко­сти, Вт/мК, $y $ – ко­ор­ди­на­та, от­счи­тан­ная от по­верх­но­сти. КТО яв­ля­ет­ся гид­ро­ди­намич. ха­рак­те­ри­сти­кой жид­ко­сти; при иден­тич­ных гид­ро­ди­на­мич. ус­ло­ви­ях КТО вы­ше у жид­ко­стей с боль­шей те­п­ло­про­вод­но­стью.

Для рас­чё­та ин­тен­сив­но­сти К. т.

обыч­но ис­поль­зу­ют урав­не­ния по­до­бия, в ко­то­рых КТО (без­раз­мер­ный) пред­став­ля­ет­ся в ви­де Нус­сель­та чис­ла или чис­ла Стэн­то­на ($Nu=αl/λ, St=α/(ρc_pu_0 $), где $ρ, c_p$ – плот­ность и изо­бар­ная те­п­ло­ём­кость жид­ко­сти, $l $ – ха­рак­тер­ный ли­ней­ный раз­мер об­лас­ти, $u_0 $ – ха­рак­тер­ная ско­рость жид­ко­сти). Для ря­да за­дач К. т. при ла­ми­нар­ном те­че­нии урав­не­ния по­до­бия по­лу­че­ны ана­ли­ти­че­ски.

Для изо­тер­мич. пло­ской пла­сти­ны $Nu_x=0,332Re_x{½}Pr{1/3}$, где Рей­нольд­са чис­ло ($Re_x=pu_0x/μ$) ха­рак­те­ри­зу­ет со­от­но­ше­ние сил инер­ции и вяз­ко­сти в по­то­ке жид­ко­сти; чис­ло Пран­дт­ля ($Pr=μc_p/λ$ ) – без­раз­мер­ная ха­рак­те­ри­сти­ка те­п­ло­фи­зич.

свойств жид­ко­сти; $μ$ – ди­на­мич. вяз­кость жид­ко­сти. В чис­ле $Nu_x l=x, $ где $x$ – рас­стоя­ние от пе­ред­ней кром­ки об­те­кае­мой пла­сти­ны. Это урав­не­ние оп­ре­де­ля­ет ло­каль­ный КТО, за­ви­ся­щий толь­ко от гид­ро­ди­на­мич. па­ра­мет­ров и свойств жид­ко­сти.

По дли­не пла­сти­ны КТО умень­ша­ет­ся с рос­том тол­щи­ны ла­ми­нар­но­го по­гра­нич­но­го слоя.

При $Re_x≈3·105 $ ре­жим те­че­ния ста­но­вит­ся тур­бу­лент­ным, КТО сна­ча­ла рез­ко рас­тёт, но да­лее сни­жа­ет­ся по ме­ре воз­рас­та­ния тол­щи­ны тур­бу­лент­но­го по­гра­нич­но­го слоя.

При ла­ми­нар­ном те­че­нии жид­ко­сти в ка­на­лах, на­чи­ная от вхо­да, на стен­ках фор­ми­ру­ют­ся ди­на­ми­че­ский и тем­пе­ра­тур­ный по­гра­нич­ные слои, КТО умень­ша­ет­ся по дли­не как $x$–½ (гид­ро­ди­на­мич. на­чаль­ный уча­сток) или $x$–1/3 (тер­мич.

на­чаль­ный уча­сток), где $x$ – рас­стоя­ние от на­ча­ла уча­ст­ка. За пре­де­ла­ми на­чаль­ных уча­ст­ков ус­та­нав­ли­ва­ет­ся ста­би­ли­зи­ров.

те­п­ло­об­мен, ко­гда $Nu$ ста­но­вит­ся по­сто­ян­ным, не за­ви­ся­щим от $Re$ (в ка­на­лах ла­ми­нар­ное те­че­ние со­хра­ня­ет­ся при зна­че­ни­ях $Re$ мень­ше кри­ти­че­ско­го; $Re_{кр}≈2300 $).

При тур­бу­лент­ном те­че­нии в тру­бах прак­ти­че­ски ва­жен ре­жим ста­би­ли­зи­ров. К. т.

, по­сколь­ку из-за вы­со­кой ин­тен­сив­но­сти тур­бу­лент­но­го пе­ре­но­са им­пуль­са и энер­гии фор­ми­ро­ва­ние про­фи­лей ско­ро­сти и темп-ры про­ис­хо­дит на ко­рот­ких рас­стоя­ни­ях от вхо­да в тру­бу. Об­щий вид урав­не­ния по­до­бия для ста­би­ли­зи­ров. К. т.

в тру­бах: $Nu=f (Re, Pr)$.

На­дёж­ные рас­чёт­ные урав­не­ния по­лу­че­ны на ос­но­ве при­бли­жён­ных мо­де­лей и обоб­ще­ния ре­зуль­та­тов опыт­ных ис­сле­до­ва­ний и чис­лен­но­го экс­пе­ри­мен­та (чис­лен­но­го ре­ше­ния диф­фе­рен­ци­аль­ных урав­не­ний со­хра­не­ния). Об­щая фор­ма урав­не­ния по­до­бия спра­вед­ли­ва и для др. за­дач К. т. при тур­бу­лент­ном те­че­нии, напр. для сред­не­го КТО при по­пе­реч­ном об­те­ка­нии труб.

При сво­бод­ной кон­век­ции ско­рость те­че­ния за­ви­сит от ус­ко­ре­ния сво­бод­но­го па­де­ния $g$, тем­пе­ра­тур­но­го на­по­ра $ΔT$, ко­эф. объ­ём­но­го рас­ши­ре­ния жид­ко­сти $β$, ки­не­ма­тич. вяз­ко­сти жид­ко­сти $ν=μ/ρ$ и ха­рак­тер­но­го раз­ме­ра по­верх­но­сти те­п­ло­об­ме­на $l$. Ин­тен­сив­ность К. т.

при сво­бод­ной кон­век­ции оп­ре­де­ля­ет­ся кри­те­ри­ем (чис­лом) Грас­го­фа $Gr=gβΔTl3/ν2 $. Об­щая фор­ма урав­не­ния по­до­бия для сво­бод­ной кон­век­ции: $Nu=f (Gr, Pr)$, его кон­крет­ные ва­ри­ан­ты для разл. гео­мет­рии и про­стран­ст­вен­ной ори­ен­та­ции по­верх­но­сти и разл.

ре­жи­мов сво­бод­но­кон­век­тив­но­го те­че­ния по­лу­че­ны на ос­но­ве мо­дель­ных пред­став­ле­ний и обоб­ще­ния ре­зуль­та­тов фи­зи­че­ских и чис­лен­ных экс­пе­ри­мен­тов.

Про­цес­сы К. т. ши­ро­ко рас­про­стра­не­ны в тех­ни­ке. Они яв­ля­ют­ся не­отъ­ем­лемой ча­стью боль­шин­ст­ва пром. тех­но­ло­гий (в энер­ге­ти­ке, неф­те­хи­мии, пи­ще­вой пром-сти и т. п.), со­став­ля­ют осн. прин­цип функ­цио­ни­ро­ва­ния те­п­ло­об­мен­ни­ков разл. ти­па, в зна­чит.

ме­ре оп­ре­де­ля­ют схе­мы и кон­ст­рук­тив­ные ре­ше­ния в сис­те­мах те­п­ло­вой за­щи­ты и жиз­не­обес­пе­че­ния ле­та­тель­ных ап­па­ра­тов и др. транс­порт­ных средств.

В при­ро­де со­вме­ст­ные про­цес­сы кон­век­тив­но­го те­п­ло- и мас­со­об­ме­на оп­ре­де­ля­ют взаи­мо­дей­ст­вие ат­мо­сфе­ры и океа­на.

Источник: https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/2088211