Передача тепла конвекцией (конвективный теплообмен)


Перенос тепла конвекцией тем интенсивней, чем более турбулентно движение массы жидкости. В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией, причем совместный перенос тепла этими средствами называется конвективным теплообменом. Вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой, здесь тепло передается только теплопроводностью. В самом ядер благодаря турбулентным пульсациям температура массы жидкости становится равна tж.

Подобно тому, как возрастание вязкости приводит к увеличению гидродинамического пограничного подслоя, возрастание теплопроводности приводит к увеличению теплового пограничного подслоя.

Плотность турбулентного теплообмена:

где λТ – коэффициент турбулентной теплопроводности.

 

Величина λТ во много раз больше чем λ..

Интенсивность переноса тепла в ядер потока за счет коэффициента турбулентной теплопроводности определяется коэффициентом турбулентной температуропроводности:

 

 

Величина αТ уменьшается вблизи стенки.

 

Закон теплоотдачи или закон охлаждения Ньютона:

Согласно этому закону, количество тепла dQ, отдаваемое за время dτ поверхностью стенки dF, имеющей температуру tж, жидкости с температурой tж, прямо пропорционально dF и разности температур tст – tж

α – коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность переноса тепла между поверхностью тела (стенкой) и окружающей средой (жидкостью).

 

α – показывает, какое количество тепла передается от 1м2 поверхности стенки к жидкости (или от жидкости к 1м2 поверхности стенки) в течении 1сек при разности температур между стенкой и жидкостью в 1град.

Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих факторов:

– скорости жидкости ω, ее плотности ρ и вязкости μ, т.е. от переменных, определяющих режим течения;

– тепловых свойств жидкости, а также коэффициента объемного расширения β;

– геометрических параметров – формы и определяющих размеров стенки, а также шероховатости ε стенки.

Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена – или уравнение Фурье – Кирхгофа. Это уравнение выражает в наиболее общем виде распределение температур в движущейся жидкости:

Теплопередача

Плоская стенка. Определяющим количество тепла, которое передается в единицу времени от более нагретой среды с температурой t1 к менее нагретой с температурой t2 через разделяющую их стенку.

Стенка состоит из двух слоев с различной теплопроводностью толщина стенки δ1, с коэффициентом теплопроводности λ1 и слоя тепловой изоляции толщиной δ2, с коэффициентом теплопроводности λ2. Рабочая поверхность стенки F.

Процесс теплообмена установившийся. Следовательно, от более нагретой среды к стенке, сквозь стенку и от стенки к менее нагретой среде за одинаковое время передается одно и то же количество тепла.

Количество тепла, передаваемого за время τ от более нагретой среды, к стенке, по уравнению теплоотдачи составляет:

 

 

 

 


Количество тепла, проходящего путем теплопроводности через слои стенки:

Количество тепла, отдаваемое стенкой менее нагретой среде:

 

Полученные выражения для Q, могут быть представлены в следующем виде:

Сложив эти уравнения, получим:

 

Соответственно при τ = 1

 

К – коэффициент теплопередачи:

 

Соответственно уравнение теплопередачи для плоской стенки при постоянных температурах теплоносителей имеет вид:

 

для непрерывных процессов:

 

Коэффициент теплопередачи К показывает, какое количество тепла переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку поверхностью 1м2 при разности температур между теплоносителей на 1град.

Величина, обратная К, называется общим термически сопротивлением:

где – термическое сопротивление более нагретой и мене нагретой среды;

– термическое сопротивление многослойной стенки.

 

Цилиндрическая стенка. Допустим, внутри трубы находится более нагретый теплоноситель с температурой t1 и коэффициент теплоотдачи от него к внутренней поверхности цилиндрической стенки αВ. Снаружи трубы – более холодный теплоноситель, имеющий температуру t2. Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки к более холодному теплоносителю αН

Проводя аналогичные расчеты, получим:

 

где КR – линейный коэффициент теплопередачи, отнесенный к единице длины трубы, а не к единице поверхности.

 

На практике это уравнение применяется только для толстостенных цилиндрических стенок, трубопроводов покрытых толстым слоем тепловой изоляции.

Процессы теплопередачи при постоянных температурах распространены редко (с одной стороны кипит жидкость, с другой стороны стенки конденсируется пар). Наиболее часто теплопередача в промышленной аппаратуре протекает при переменных температурах теплоносителей.

Температура теплоносителя измеряется обычно вдоль поверхности

стенки F.

Теплопередача при переменных температурах зависит от взаимного направления движения теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена возможны следующие вариант направления движения жидкости относительно друг друга вдоль разделяющей их стенки:

1) параллельный ток, или прямоток, при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении;

2) противоток, при котором теплоносители движутся в противоположном направлении;

3) перекрестный ток, при котором теплоносители движутся взаимно перпендикулярно друг другу;

4) смешанный ток, при котором один из теплоносителей движется в одном направлении, а другой – как прямоток, так и противотоком к первому. При этом различают простой, или однократный, смешанный ток и многократный смешанный ток.


 

а – прямоток; б – противоток; в – перекрестный ток;

г – однократный смешанный ток;

д – многократный смешанный ток.

 

Движущая сила процессов теплопередачи при переменных температурах изменяется в зависимости от вида взаимного направления движения теплоносителей. Поэтому выражение средней движущей силы или среднего температурного напора зависит от относительного направления движения теплоносителей и характера организации процесса теплопередачи (непрерывный или периодический).

При отношении разности температур теплоносителей на концах теплообменника (ΔtН/ΔtК) < 2, для технических расчетов применяют формулу:

 

Уравнение теплопередачи при прямотоке:

 

Изменение температуры при прямотоке

 


По заданной тепловой нагрузке Q и известным начальным и конечным температуре определяется основная расчетная величина – поверхность теплообмена.

При противотоке уравнение примет вид:

 

Величина Δtб представляет собой разность температур на том конце теплообменника, где она больше;

Δtм – меньшая разность температур на противоположном конце теплообменника.

 

Изменение температуры при противотоке

 

 


Средняя движущая сила при перекрестном и смешанном токе находят исходя из среднелогарифмический разности температур при противотоке

где f – поправочный множитель, меньше единицы.

 

Сравнение прямотока и противотока теплоносителей

 

 


При противотоке уменьшение расхода холодного теплоносителя уменьшение средней разности температур и как следствие увеличение рабочей поверхности.

 



Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 3535;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.015 сек.