Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен осуществляется при контакте полимерного тела или изделия с движущимся потоком жидкости или газа. Конвекция происходит при соприкосновении формы с жидкостью, циркулирующей в каналах охлаждения, или полимерное тело нагревается за счёт циркулирующего горячего теплоносителя (воздуха). В основе конвекции лежит закон Ньютона.

a - коэффициент теплоотдачи;

F - площадь поверхности контакта.

Разность температур между изделием, формой и окружающей средой определяет величину теплового потока, a - определяется следующими показателями:

1. формой тела;

2. размерами;

3. режимом движения окружающей среды;

4. чистотой поверхности тела.

Для расчёта используют аппарат теории подобия, основанный на применении в расчётах критерия подобия, безразмерных величин, представляющих собой отношение нескольких теплофизических, геометрических, параметров: Нусельта, Ренольдса, Пранкля, Гросгоффа, Пекле. Критерий Нусельта определяют по формуле:

Определяя критерий Нусельта можно определить коэффициент теплопередачи a, за счёт конвекции.

l_о - характеристический размер тела;

l - коэффициент теплопроводности.

Критерий Нусельта определяется через другие критерии подобия.

Вид критериального уравнения может меняться в зависимости от параметров окружающей среды.

W - скорость движения теплоносителя, или охлаждающего агента в пограничном слое;

l - характеристический размер (диаметр охлаждающих каналов);

u - кинетическая вязкость.

Критерий (число) Пекле, представляет отношение теплоты передаваемой за счёт

конвекции и теплоты передаваемой за счёт теплопроводности.

а - коэффициент теплопроводности.

Подъёмная сила, возникающая в жидкости, соответствует разности плотностей при разных температурах, и определяется критерием Гросгоффа.

q - ускорение свободного падения;

Т-То - градиент температуры;

b - температурный коэффициент объёмного расширения.

Критерий (число) Прантля определяется, как отношение физических постоянных.

Критериальное уравнение которое описывает процесс теплоотдачи, а следовательно и величину коэффициента теплоотдачи, может иметь различный вид.

Nn = 0,000523 Re^{1 002} Рг⁰³⁴⁴

Используя параметры технологического оборудования и оснастки (диаметр охлаждающих каналов, давление в сети, длину каналов, температуру охлаждающей воды), можно рассчитать скорость охлаждения изделия. Часто критериальное уравнение используют для расчётов расхода теплоносителя или определения размеров охлаждающих каналов, по которым выбирают хладагент.

В процессе переработки полимерные материалы большинство процессов требует нагревания полимерного материала. Из всех способов нагревания, одним из самых эффективных является использование инфракрасных источников излучения и высокочастотного нагрева. В процессе лучистого теплообмена материала или изделия, в котором участвует нагреватель, источник инфракрасного излучения, можно выделить такие составные части, как излучение лучистой энергии от источника, отражение от поверхности нагреваемого изделия, пропускание лучистой энергии через материал и поглощением материалом лучистой энергии. Соотношение трёх последних процессов определяет возможность применения того или иного способа нагрева.

интенсивность излучения от нагревателя, которое складывается из количества поглощённой и отражённой энергии. Плотность теплового потока, воздействующего на изделие, определяется законом Стефана - Больцмана.

G_o - постоянная Стефана - Больцмана = 3,65 * 10^-8 Вт/м³ к

T₁ и Т₂ - температура поверхности нагревателя и изделия соответственно;

- степень черноты системы, коэффициент характеризующий соотношение степени черноты нагревателя и нагреваемого тела.

Чем меньше шероховатость тела, тем выше отражающая способность. Поэтому материалы, имеющие высокую степень чистоты поверхности, значительную часть энергии отражают не нагреваясь. Для бесцветных (прозрачных) материалов, использование ультракоротких волн может оказаться неэффективным. Вообще использование ультракоротких лучей обусловлено тем, что эта часть спектра, в случае достаточно большой длины волн, лучше поглощаются телами, чем видимый или ультрафиолетовый свет, так как обладает меньшей проницающей способностью. Уравнение Стефана - Больцмана в случае использования достаточно мощных нагревательных установок упрощается.

Значит, при оценке мощности нагревателя можно принимать во внимание только его температуру. Тепловой поток от излучателя со временем не изменяется.

Температура нагреваемого изделия, в случае одностороннего потока лучистой энергии, будет различна на поверхности обращенной к нагревателю, и противоположенной стороне листа. Температуру у обеих сторон листа можно получить, решая дифференциальное уравнение второго закона Фурье, с учётом интенсивности потока лучистой энергии. Решение имеет вид, для поверхности обращенной к нагревателю:

Температура изделия или материала с противоположенной стороны составляет:

Величина коэффициента, принимается от 1 до бесконечности, связанная с решением. При расчётах n = 1. F_o - критерий Фурье, который определяется формулой:

d - толщина стенки изделия.

Для оценки эффективности нагрева с помощью лучистых нагревателей используют безразмерный критерий.