Передача теплоты конвекцией

Конвективным теплообменом называется перенос теплоты с пе­ремещающимися макроскопическими объемами газов или жидко­стей. Перенос теплоты возможен в условиях естественной конвек­ции, при которой движение макроскопических объемов вызвано разностью плотностей в различных точках объема, возникающей вследствие разности температур в этих точках, и вынужденной кон­векции при принудительном перемещении жидкости. Передача теплоты вынужденной конвекцией происходит, например, при пере­мешивании объема мешалкой, причем интенсивность этого процес­са тем выше, чем более турбулентно осуществляется перемешива­ние. Таким образом, конвекция связана с механическим переносом вещества, т. е. зависит от гидродинамических условий течения жид­кости.

При турбулентном движении жидкости по трубопроводу в центральной части — ядре потока — происходит интенсивное пере­мешивание и перенос теплоты осуществляется как конвекцией, так и теплопроводностью. По мере приближения к стенке снижается интенсивность перемешивания и доля конвекции в процессе пере­носа теплоты снижается. В тонком пристенном слое теплота пере­дается в рсновнйм за счет теплопроводности."

Согласно закону охлаждения Ньютона, количество теплоты Q , отдаваемое (или воспринимаемое) от стенки омывающей ее жид­костью, пропорционально поверхности стенки F , разности темпера­ тур стенки t_Ci и жидкости /ж, времени % и зависит от коэффициента пропорциональности а_а:

Q=a_KF(t_CT-t_x)x.                                    (9.8)

Ill

Коэффициент пропорциональности в правой части выражения на­ зывается коэффициентом теплоотдачи:    / ак=-------- 2------- /------------- (9.9)

Коэффициент теплоотдачи показывает, каков- количество тепло­ты передается от 1 м² поверхности стенки к жидкости (или от жид­кости к стрнке) в течение единицы времени при разности темпера-'тур между стенкой и жидкостью в у град.

Величина а_к является сложной^функцией, зависящей от скоро­сти потока жидкости о.',, ее плотности р, вязкости \х, удельной теп­лоемкости С, теплопроводности'А, геометрических размеров стенки (для труб — от диаметра d и длины L ):

<*„=/(«;, р, I*. С, X.I.rf).                      (9.10)

Таким образом, можно сделать вывод, что простота уравнения HbK)TOHa^v(9.8) только кажущаяся, поскольку а_к зависит от боль­шого числа переменных. Вследствие этого невозможно получить простое уравнение для расчета потока теплоты, пригодное для всех случаев теплоотдачи. Однако путем обработки эксперименталь­ных данных методом теории подобия можно получить зависимости, справедливые для данного класса явлений, в пределах которого возможно обобщение данных отдельного опыта. Из дифференци­альных уравнений, описывающих конвективный теплообмен, с по­мощью теории подобия получают определенные комплексы, в кото­рые входят тепловые величины, характеризующие основные случаи переноса теплоты. Эти комплексы тепловых величин не имеют раз­мерности и носят имена ученых, внесших большой вклад в эту об­ласть науки.

Критерий Рейнольдса (см. с. 39) характеризует отношение инерционных сил к силам трения в подобных потоках.

Критерий Нуссельта характеризует интенсивность теплообмена на границе между стенкой и средой:

Nu=ct_K.//X,                             (9.10а).

где а_к — коэффициент теплоотдачи; / — геометрический размер стенки; X — коэффициент теплопроводности среды.

Критерий Пекле является мерой соотношения между теплотой, переносимой путем конвекции, и теплотой, переносимой теплопровод­ ностью при конвективном теплообмене:

Pe = wl / a ,                                   (9.11)

где w — скорость движения жидкости; / — геометрический размер; a — коэффициент температуропроводности: а=Я/(£р).

Критерий Прандтля характеризует подобие физических свойств теплоносителей в процессах конвективного теплообмена:'

Рг=ЪцА,                                     (9.12)

где С — теплоемкость жидкости; ц — вязкость жидкости.

112

Используя указанные критерии, оказывается возможным на ос­новании опытных данных находить значения коэффициентов тепло-• отдачи ак.для отдельных технически важных случаев-теплообмена.

Для вынужденного турбулентного движения жидкости в прямой трубе без изменения агрегатного состояния критерий Нуссельта выражается зависимостью

• Nu=O,023Re£⁸PrM,                           (9.13)

из которой можно определить значение коэффициента ак^

a_K=0,023-^-Re*⁸.Pr^,                           (9.14)

где d_a— эквивалентный диаметр трубы.

При ламинарном течении жидкости в трубе, при передаче тел» лоты в условиях естественной конвекции теплообмен значительно ухудшается, поэтому для его интенсификации, когда это возможно, поток жидкости стремятся турбулизовать.

При изменении агрегатного состояния (конденсации паров, ки­пении жидкости) явления теплообмена еще более осложняются. (Зависимости для частных случаев теплообмена приводятся в спра­вочниках по теплопередаче.)

Примерные числовые значения коэффициентов теплоотдачи а_к в промышленных устройствах для наиболее часто встречающихся случаев составляют [Вт/(м²- К)]:

При нагревании и охлаждении:

воздуха..................................................................... ■' 1,0—58

перегретого пара...................................................... 23—116

масел...................................... -................................ ' 60—1700 '

воды.......................................................................... ... 230—11000

При кипении воды........................................................... ... 580—50 000

При конденсации водяных паров ......        4600—17000

При конденсации паров органических жидкостей        580—2300

Тепловое излучение

Под тепловым излучением понимают процесс распространения электромагнитных колебаний с различными длинами волн. Все тела способнььиэлучать энергию в виде электромагнитных волн, ко­торая поглощается другими Делами, имеющими более низкую тем­пературу, и превращается в теплоту. Длина волн теплового излу­чения лежит в инфракрасной, не видимой глазом части спектра электромагнитных колебаний от 0,8 до 40 мкм и является продол­жением видимой ее части. Видимые волны электромагнитного из­лучения имеют длины в пределах 0,4—0,8 мкм.

Твердые тела обладают сплошным спектром излучения — они испускают волны всех длин. Интенсивность теплового излучения резко возрастает с повышением температур. При температурах, превышающих 600° С, и приобретает доминирующее значение по сравнению с другими способами передачи теплоты.

113

Все физические тела взаимодействуют с тепловым излучением, пропуская, отражая и поглощая тепловую энергию. По способности тел пропускать, отражать и поглощать тепловую энергию исполь­зуют понятия абсолютно прозрачных, абсолютно белых и абсолют­но черных тел. Абсолютно прозрачные тела пропускают всю посту­пающую энергию теплового излучения, абсолютно белые полностью отражают, а абсолютно черные полностью поглощают всю подво­димую энергию. Но в природе не существует тел, обладающих иде­альными свойствами. Все реальные тела способны лишь частично пропускать, отражать и поглощать подводимую в виде электромагт нитных колебаний энергию; они называются серыми телами.

По закону Стефана — Больцмана, лучеиспускательная способ­ность серого тела Е пропорциональна четвертой степени абсолют­ной температуры его поверхности Т и коэффициенту лучеиспуска­ния серого тела С:

Е=С (Т/100)*.                               (9.15)

Лучепоглощательная и лучеиспускательная способность тел (способность поглощения и испускания лучей телами) зависит вт температуры.

Количество теплоты <2_Л, переданное от более нагретого твердого тела с температурой Т\ К к. менее нагретому телу с температурой Т₂К, определяется по уравнению

Q_JI=C₁__2JPr[(r₁/100)*—(Г₂/100)⁴!?,               (9.16)

где Ci -2 — коэффициент взаимного излучения, зависящий от взаим­ного расположения тел; F — поверхность излучения; т — время; Ф — угловой коэффициент, который зависит от размеров поверхно­стей и расстояния между ними.

Чтобы защитить от излучения и нагрева какое-либо тело,'меж­ду этим телом и лучеиспускателем устанавливают экран, изготов­ленный из материала с хорошими отражательными свойствами.

В отличие от твердых тел многоатомные газы СО2, SO2 и пары воды излучают и поглощают энергию не поверхностью, а объемом. Кроме того, эти вещества излучают и поглощают электромагнитные колебания не по всему спектру, как твердые тела, а лишь опреде­ленные длины волн, т. е. имеют определенные полосы излучения и поглощения.

Количество теплоты, отдаваемое или воспринимаемое стенкой площадью F =\ м² за счет излучения в течение 1 с при разности температур в 1 град, называется коэффициентом теплоотдачи лу­ чеиспусканием а_л.

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться: