Практическое занятие №2. Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен

Рассчитано на 4 академических часа).

Задачи

* задачи помеченные данным знаком выполняются по указанию преподавателя.

Конвективным теплообменом называется процесс переноса тепла в движущихся газах и жидкостях одновременно конвекцией и тепло­проводностью. Конвекция — перенос тепла макрочастицами газа или жидкости из части среды с одной температурой в другую часть среды с другой температурой.

Конвекция в газе или жидкости, движущихся под действием посторонних возбудителей (вентилятор, насос и т. д.), называется вынужденной.

Если движение жидкости вызывается разностью плотностей на­гретых и холодных частей ее, то такое движение называют свободным а теплообмен — свободной конвекцией.

Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и газом или жидкостью называют конвективной теплоотдачей. Ко­личество перенесенного тепла при конвективной теплоотдаче оп­ределяется по формуле Ньютона ,

Q = aFDtt ,

где

a—коэффициент теплоотдачи, Вт/м² • град;

F — поверхность теплообмена, м²;

Dt = t_w — t_f —температурный напор, град;

t_w — средняя температура стенки, град;

t_f — средняя температура жидкости или газа, град;

t — время, сек,

a - зависит от характера потока (v , условий обтекания) физических свойств жидкости (r,m,l,c_р и др.), формы поверхности.

Определяется a опытным путем.

Коэффициент теплоотдачи - измеряет количество тепла, которым обмениваются через единицу поверхности жидкость и стенка за единицу времени при разности температур между поверхностью и жидкостью в 1 K.

a - [Вт/m^{2 0}K];

q=a (t₁ –t_ст );

;

Одной из основных задач конвективного теплообмена является определение в конкретных условиях коэффициента теплоотдачи a. Аналитическое определение a, как правило, невозможно потому, что величина его зависит от многих переменных (параметров про­цесса, физических констант, геометрических размеров и граничных условий), : т. е;

a== f (v, t_w , t_f, l, m, р,r, , Ф, l₁,l₂,l₃ ) (a)

где

t_w , t_f, — температура, ° С;

Ф — фактор формы поверхности твердого тела;

l₁,l₂,l₃ — размеры твердого тела, м.

v (w) - скорость движения жидкости [м/с];

l - характерный линейный размер (l=d-диаметр трубы) [м];

r - плотность жидкости [кг/м³ ];

g – ускорение свободного падения м/с²;

c_p - теплоемкость (c при p=const) [Дж/кг ⁰К ];

a - коэффициент температуропроводности [м² /с];

n - кинематическая вязкость жидкости [м² /с];

m - динамическая вязкость жидкости [Па с];

l- коэффициент теплопроводности [Вт/m ⁰K]

Физические величины r,c_р,l,a,n,m - берутся из справочных таблиц.

I . Коэффициент теплоотдачи a определяется по эмпирическим фор­мулам, которые обычно составляются в критериальной форме по правилам теории подобия.

Формула в критериальном виде дает связь между безразмерными комплексами, которые составляются из величин, входящих в урав­нение (а). Эти комплексы называются критериями подобия. Об­щий вид зависимости между критериями подобия устанавливается из дифференциальных уравнений, описывающих исследуемое яв­ление. Конкретный вид зависимости между критериями подобия исследуемого явления определяется эмпирически путем обработки экспериментальных данных.

Для конвективного теплообмена теория подобия дает критериаль­ную зависимость, которая после некоторых преобразований будет иметь вид

Nu = f (Re, Pr, Gr,Ho, Fo),

где

Критерий Нуссельта

Nu=ad/l;

Критерий Рейнольдса

Re=vd/n;

Критерий Прандтля.

Pr=n/a: Pr =Pe/Re

Критерий Грасгофа.

Gr=gl³bDT/n² ;

l—определяющий размер (для круглых труб диаметр d), м,

- коэффициент термического расширения, 1/град.

Критерий Пекле.

Pe=vl/a; Pe=Pr*Re;

характеризует отношение между потоком теплоты, переносимым движущейся жидкостью (конвективным), и потоком теплоты теплопроводностью при одинаковом температурном напоре.

Для стационарных условий это уравнение упрощается:

Nu = f^/(Re, Pr, Gr).

При свободной конвекции критерий Рейнольдса становится оп­ределяемой величиной, и критериальное уравнение для этого слу­чая составляют в виде

Nu =f^// (Gr, Pr).

В условиях турбулентного вынужденного движения свободная конвекция практически не влияет на теплообмен, и критерий Gr выпадает

Nu = f^/// (Re, Pr).

Критериальные уравнения для конкретных случаев конвектив­ного теплообмена приведены в [1, 2, 9, 14, 15, 16, 25].