Конвективный теплообмен. Конвективный теплообмен – это процесс передачи тепла жидкости или телу при их движении относительно друг друга
Конвективный теплообмен – это процесс передачи тепла жидкости или телу при их движении относительно друг друга. При рассмотрении конвективного теплообмена рассматривают перенос тепла поперёк прилегающего к поверхности неподвижного пограничного слоя толщиной б и площадью основания А. Полагают, что температура на прилегающей к поверхности границе слоя равна температуре поверхности Тп, на внешней поверхности слоя равна температуре жидкости Тж вне его. В такой модели теплопроводностный перенос тепла поперёк температурного пограничного слоя определяется выражением:
q= P/A=ℓ*(Tп - Тж)/б, (3.12)
где ℓ – коэффициент теплопроводности жидкости;
б - толщина пограничного слоя, условная величина и её нельзя измерить.
Поэтому
q = P/A=ℓ*(Тп - Тж)/б = Х*ℓ(Тп - Тж)/б*Х= Nu*ℓ*(Тп - Тж)/Х (3.13)
Здесь Nu- число Нуссельта – безразмерный параметр подобия процессов конвективного теплообмена, зависящий от геометрии тела и картины течения.
Х - характерный размер.
Имеем следующие зависимости:
- конвективное термическое сопротивление,
Rк= X/(Nu*ℓ*A), (3.14)
- конвективное удельное термическое сопротивление:
Rк = Rк*A= X/Nu*ℓ, (3.15)
- коэффициент теплоотдачи или теплопередачи:
hк= 1/rк=Nu*ℓ/X, (3.16)
интенсивность конвективного теплопереноса определяется следующими факторами: свойствами жидкости, скоростью течения, формой и размером поверхности.
Вынужденная конвекция
При заданной форме поверхности безразмерным масштабом скорости является число Рейнольдса:
Re= u*X/υ, (3.17)
При обтекании плоской пластины при Re ≥ 3*105 устанавливается турбулентный режим течения, при этом возрастает теплоотдача. Число Нуссельта при вынужденной конвекции зависит только от двух параметров υ и а. Они определяют безразмерную переменную, называемую числом Прандтля
Рr=υ/a (3.18)
Для большинства жидкостей Рr=~1. При любой поверхности теплоотдачу при вынужденной конвекции можно представить:
Nu=Nu(Re,Pr), (3.19)
Cвободная конвекция
При свободной конвекции газ или жидкость движутся в результате теплопереноса:
Nu=Nu(Ra, Pr) , (3.20)
где число Релея Ra= gβтX3ΔT/a*υ, (3.21)
g – ускорение свободного падения;
βт – коэффициент теплового расширения.
При Ra ≤ 103 свободная конвенция практически отсутствует, а при Ra ≥ 105 имеет турбулентный характер.
Расчёт конвективного теплообмена
Стандартный алгоритм расчёта конвективного теплообмена состоит в следующем:
1. Составляется схема рассматриваемого объекта;
2. Схема объекта делится на стандарные элементы;
3. Для каждого из этих элементов:
- определяются характерные размеры (Х);
- рассчитываются числа Рейнольдса Re и/или числа Релея Ra;
- из таблиц выбираются соответствующие полученным значениям Re или Ra формулы для расчёта числа Нуссельта Nu;
- рассчитываются числа Nu и потоки тепла Р= q*A.
4. Суммируются тепловые потоки от всех элементов, т. е. определяется полный поток тепла от объекта;
5. Если в справочных данных используется число Грасгофа Gr, то следует учесть, что Ra=Gr*Pr.
Дата добавления: 2016-02-09; просмотров: 954;