Конвективный теплообмен, его сущность, разновидность. Уравнения конвективного теплообмена. Свойства и режимы движения жидкостей и газов.

В отличие от стационарного режиме температурное поле при нестационарном режиме изменяется во времени. Количество теплоты, которое передается при нестационарном режиме также изменяется, и поэтому нестационарный тепловой процесс всегда связан с явлениями нагрева или охлаждения тел.

С расчетами нагревание и охлаждение тел часто приходится иметь дело в различных отраслях техники. Эта задача встречается, например, при нагреве или охлаждении стен помещения, что обусловлено неравномерностью работы систем отопления, при тепловой обработке различного рода материалов и изделий в нагревательных печах. В этом случае основным рабочим режимом является нестационарный, при котором определяют время, которое необходимо затратить для прогрева материала до необходимой температуры, или температуру, до которой изделие нагревается в течение известного промежутка времени. В промышленности нестационарный теплообмен фактически сопровождает все процессы, яки связанные с нагреванием или охлаждением материалов и изделий, а также процессы, происходящие при прогреве ограждений во время пуска тепловых установок, при аккумулировании теплоты обмуровкой периодических печей, подачи вагонеток туннельных печей и т. др.. В туннельных печах, предназначенных для термической обработки массовой продукции, изделия, яки выжигаются, устанавливают на вагонетки, перемещающиеся вдоль печи и сталкиваются с газами различной температуры.

Уравнение теплопроводности для нестационарного случая

Уравнение температурного поля твердого тела в безразмерной

форме имеет вид

θ = f (Fo,Bi,Χ,Y,Ζ),

где Θ = θ / θ_нач – безразмерная избыточная температура; ж

θ = t – t_ж –избыточная температура произвольной точки твердого тела в момент

времени τ(тао) после начала процесса его охлаждения (нагревания), °С; t_ж –

температура произвольной точки твердого тела, °С; ж

t – температура37окружающей твердое тело среды, °С; ж

t > t_ж; θ_нач = t_нач − t _ж– избыточная температура в начальный момент времени τ = 0,

Χ, Υ, Ζ – безразмерныекоординаты точек нагреваемого или охлаждаемого твердого тела.

 

Тонкими называют тела, при нагреве или охлаждении которых разность температур по сечению настолько мала, что при расчетах ею можно пренебречь.

Массивными называют тела, при нагреве и охлаждении которых разность температур по сечению достаточно велика и ее надо учитывать в расчетах.

Область тонких тел определяют значением конвективного числа Био

B_i = αS/λ

где S — характерный размер: толщина пластины при одностороннем нагреве или охлаждении; половина толщины пластины при двустороннем нагреве или охлаждении; радиус при нагреве или охлаждении одиночного цилиндра, м; α — средний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²*К); λ — коэффициент теплопроводности тела, Вт/(м*К).

Номогра́мма — графическое представление функции от нескольких переменных, позволяющее с помощью простых геометрических операций (например, прикладывания линейки) исследовать функциональные зависимости без вычислений. Например, решать квадратное уравнение без применения формул.

Конвективный теплообмен – это сложный вид теплообмена, при котором

совместно протекают процессы конвекции и теплопроводности. Конвекция

происходит только в газах и жидкостях и состоит в том, что перенос теплоты

осуществляется перемещающимися в пространстве объемами среды. Среды,

которые участвуют в процессах тепломассообмена, называются теплоносителями. В качестве теплоносителей используются: вода, воздух, водяной пар, минеральные масла, нефть, органические жидкости, ртуть, расплавленные металлы и многие другие.

В зависимости от физических свойств теплоносителей процессы тепломас-

сообмена протекают различно. Наиболее часто используется вода, поскольку

она широко распространена, имеет стабильный химический состав, нетоксична,

обладает хорошей теплоемкостью.

Большое влияние на теплообмен оказывают следующие физические свой-

ства теплоносителей:

- коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·С);

- удельная теплоемкость с, кДж/(кг·К);

- плотность ρ, кг/м³;

- коэффициент температуропроводности а, м²/с;

- коэффициенты динамической μ, Па·с, и кинематической ν, м²/с, вязкости.

Эти параметры для каждого вещества имеют определенные значения и являются функцией температуры, а некоторые из них – и давления.

В исследованиях конвективного теплообмена большое значение имеет вязкость жидкости. Все реальные жидкости обладают вязкостью. Между частицами или слоями, движущимися с различными скоростями, всегда возникает сила

внутреннего трения (касательное усилие), ускоряющая движение более медленного слоя и тормозящая движение более быстрого. Чем больше вязкость

жидкости, тем меньше ее текучесть. Вязкость капельных жидкостей с увеличением температуры уменьшается и почти не зависит от давления. У газов с увеличением температуры и давления вязкость увеличивается. Вязкость идеальных

газов не зависит от давления.

Конвективный теплообмен также зависит от движения жидкости, которое

бывает свободным и вынужденным. Свободное движение возникает в связи с ее

нагреванием и изменением плотности. Вынужденное движение создается искусственно под действием различных нагнетателей (насосов, вентиляторов,

компрессоров) или из-за геометрической разности уровней. В связи с этим раз-

личают свободную (естественную) и вынужденную конвекцию.

Согласно закону Ньютона—Рихмана, тепловой поток Q от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена и разности температур между температурой твердой стенки tc и температурой жидкости tж:

Движение жидкости может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном режиме частицы жидкости движутся послойно, не перемешиваясь. Турбулентный режим характеризуется непрерывным перемешиванием всех слоев жидкости. Переход ламинарного режима в турбулентный определяется значением безразмерного комплекса, называемого числом Рейнольдса:

, где w – скорость движения жидкости; ν; — коэффициент кинематической вязкости1; l — характерный размер канала или обтекаемой стенки.

 

13)----------------

14) Теплоотдача при свободной конвекции, как и при вынужденном движении, в основном определяется характером движения жидкости, протекающей около нагреваемого или охлаждаемого тела.

Свободное движение определяется различием в температурах жидкости и омываемого ею тела. Поэтому естественно ожидать, что коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции в первую очередь определяется температурным напором. Это подтверждается многочисленными опытами, причем оказывается, что чем больше температурный напор, тем сильнее влияние его на коэффициент теплоотдачи. Таким образом, при свободной конвекции удельный тепловой поток зависит от температурного напора, в большей степени, чем при вынужденной конвекции, поскольку и данном случае коэффициент теплоотдачи сам зависит от температурного напора.

В связи с тем, что свободное движение развивается под действием разностей температур в различных точках объема теплоносителя, устанавливающиеся скорости движения уже нельзя рассматривать и качестве величин, характеризующих движение, они сами зависят от разностей температур. Поэтому скорость свободного потока не является также исходной величиной, определяющей коэффициенты теплоотдачи. Равным образом при свободном движении основную роль играет не плотность жидкости, а разность плотностей, соответствующих различным температурам в объеме теплоносителя, т.е. и здесь имеют значение разности температур. Плотность же сама по себе оказывает существенно меньшее влияние на теплоотдачу, чем при вынужденной конвекции.

Физические свойства теплоносителя, в особенности теплопроводность, значительно отражаются на величине коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции. Наконец, размеры тела оказывают заметное влияние на теплообмен при свободном движении лишь в том случае, если они малы или если мал температурный напор. На рисунке 4 приведена картина свободного движения воздуха около нагретых горизонтальных труб различных диаметров. В то время как около трубы большего диаметра движение происходит через те же стадии, что и в описанном случае вертикальной трубы, при малом диаметре вихревое движение не успевает развиться и вся труба оказывается охваченной ламинарным потоком жидкости.

Естественная конвекция характеризуется малыми скоростями движении жидкости. Этим объясняется то, что обычно при вынужденном турбулентном движении коэффициенты теплоотдачи получаются в десятки и сотни раз более высокими, чем при свободной конвекции.

Вследствие этого влиянием свободной конвекции на теплообмен в вынужденном турбулентном потоке всегда можно пренебрегать.

Для того чтобы дать представление о величинах коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции, на рисунке 5 приведены графики зависимости коэффициента теплоотдачи от температурного напора для случая омывания нагретой горизонтальной трубы диаметром 30 мм водой или атмосферным воздухом. Температура теплоносителей принята равной 20^оС, а температуры стенки от 40 до 220°С; следовательно, температурные напоры для разных точек графика составляют 20-200°С.

Для обоих случаев, представленных на графике, коэффициенты теплоотдачи получились значительно более низкими, чем для случаев вынужденного движения. Особенно низки они для воздуха - теплоносителя, обладающего низкой теплопроводностью. Заметим, что на интенсификацию теплообмена при свободной конвекции увеличение давления сжимаемой жидкости оказывает значительно меньшее влияние, чем при вынужденной конвекции.

Значительное влияние на усиление теплообмена свободная конвекция может оказать и прослойках, заполненных малотеплопроводными жидкостями или газами. Помимо переноса тепла за счет теплопроводности среды, заполняющей прослойку, осуществляется также конвективный теплообмен, в результате чего при достаточной толщине прослойки суммарный тепловой поток может оказаться в несколько (а иногда и в десятки) раз больше, чем при наличии только явления теплопроводности.

Естественно, что и в данном случае влияние свободной конвекции усиливается при увеличении разности температур (разности температур поверхностей, ограничивающих прослойку). Это влияние оказывается также тем большим, чем шире прослойка жидкости.