Загрузка ... Загрузка ...

Перенос теплоты конвекцией. Теплоотдача

В отличие от твердых тел, молекулы которых имеют определенное положение в пространстве, молекулярные связи в газах незначительны, поэтому их молекулы или атомы могут свободно перемещаться, взаимно диффундировать. При наличии в объеме газа точек с разной температурой перераспределение энергии происходит в результате столкновения частиц, обладающих разной скоростью движения. Такой способ переноса теплоты относится к конвективному.

Перенос теплоты только одной конвекцией может происходить в жидкостях или газах при условии существования разности температур между отдельными их слоями. Более нагретые слои, имея меньшую плотность, поднимаются вверх, а менее нагретые и тяжелые опускаются вниз. В результате такого перемешивания во всей массе жидкости или газа установится одинаковая температура.

Рассмотрим другой случай. Холодная жидкость омывает нагретую поверхность или нагретая жидкость находится у поверхности холодной стенки. В этом случае теплообмен между поверхностью твердого тела и движущейся жидкостью называется теплоотдачей.

Предположим, жидкость движется в трубе, нагреваясь от ее стенок. Наибольшая скорость потока устанавливается в центре трубы, в направлении к стенкам она падает. При небольших скоростях движения в результате трения  жидкости  о шероховатую

поверхность стенок ее движение может совсем приостановиться и у поверхности стенок окажется как бы зацепившийся за них неподвижный слой, называемый динамическим пограничным слоем. Теплообмен через такой слой к общей массе жидкости происходит как теплопроводностью, так и путем конвекции. Так как теплопроводность жидкостей, а тем более газов весьма незначительна, то образование пограничного слоя замедляет теплоотдачу от стенки к жидкости, отсутствие его. наоборот, ускоряет ее.

Характер движения жидкости в трубе

На образование пограничного слоя оказывает большое влияние характер движения жидкости в трубе. При медленном ламинарном движении жидкости вокруг нагретой поверхности наличие пограничного слоя замедляет теплообмен.

При больших скоростях омывания жидкостью нагретой поверхности, созданных вентилятором или насосом, возникает турбулентность потока, ускоряющая теплоотдачу благодаря освобождению поверхности от пограничного слоя. Такой вид конвекции называется вынужденной. Когда движение жидкости вызвано только различием в плотности нагретых и холодных слоев, такой вид конвекции носит название естественной.

Наибольшее распространение имеет, как более эффективная, вынужденная конвекция. Высокопроизводительные тепловые установки котельной, сушильной, печной техники оборудуют мощными насосными и вентиляционными установками, значительно ускоряющими конвективный теплообмен.

Отношение 1/а называют внешним термическим сопротивлением.

В расчетах конвективного теплообмена большие затруднения вызывает определение коэффициента теплоотдачи а, находящегося в зависимости от многочисленных факторов: скорости движения газа или жидкости, их физических параметров — плотности, вязкости, теплоемкости, температуры, режима движения, формы и расположения поверхности по отношению к движущемуся газу или жидкости и многих других. Эта задача значительно упрощается, если ее решать экспериментальным путем, пользуясь методом моделирования, основанным на теории подобия.

Теория подобия и метод моделирования

Основоположниками теории подобия и метода моделирования являются акад. М. В. Кирппчев и проф. А. Л. Гухман. Методом моделирования изучаются вопросы конвективного теплообмена, обусловленные характером движения газовых потоков. Исследование проводится не на действующей установке, именуемой в дальнейшем «образцом», а на ее модели, выполненной в уменьшенном масштабе, иногда из прозрачного материала, что дает возможность не только наблюдать за движением в ней подкрашенных потоков жидкости, имитирующей движение газовых потоков в исследуемом образце, но и фотографировать их. Модели должны быть выполнены с соблюдением всех требований теории подобия, чтобы явления, протекающие в них, были подобны тем, которые имеют место в образце. Во-первых, в модели должно быть соблюдено условие геометрического подобия. По аналогии с подобными геометрическими фигурами геометрическое подобие модели образцу выражается равенством отношений сходственных размеров, называемых константой геометрического подобия. Например, если во вращающейся печи, принятой за образец, отношение ее длины к диаметру равно 50, то и при выполнении модели это отношение должно быть выдержано таким же.

Чтобы осуществить в образце и в модели подобие каких-либо интересующих исследователя физических процессов, например характера движения газовых потоков или явлений теплообмена между газами и нагреваемым материалом, следует выполнить второе условие теории подобия — равенство некоторых безразмерных величин, называемых числами подобия.

источник: 3 ( см. список литературы )

в начало статьи ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ Виды теплообмена

Комментарии запрещены.

Полезное
Добро пожаловать
На наш новый форум газовиков!

Галерея

images_2 images_7 images_13 images_5