РАЗДЕЛ 4. Конвективный теплообмен в однофазных средах

Рассмотрим два способа увеличения коэффициента теплопередачи, а, следовательно, и количества теплоты передаваемого через стенку – конструктивный и режимный.

А. Конструктивный способ интенсификации теплопередачи

Изменение конструкции теплопередающей поверхности с целью увеличения коэффициента теплопередачи можно осуществить за счет уменьшения термического сопротивления теплопроводности стенки и термического сопротивления теплоотдачи со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи.

Для уменьшения термического сопротивления теплопроводности стенки необходимо уменьшить толщину стенки и использовать материалы с высоким коэффициентом теплопроводности .

Термическое сопротивление теплоотдачи можно уменьшить, если со стороны меньшего увеличить поверхность теплообмена за счет ее оребрения. Для доказательства этого утверждения запишем единую формулу теплопередачи при допущении малости термического сопротивления теплопроводности ()

.

Пусть . Откуда следует, что при равенстве площадей термическое сопротивление теплоотдачи около второй поверхности много больше термического сопротивления теплоотдачи около первой поверхности

или .

Поэтому для уменьшения необходимо увеличить площадь F₂ до выполнения условия

или ,

где – площадь оребренной поверхности.

Профиль ребра может быть прямоугольной, треугольной, трапециевидной и, в общем случае, произвольной формы (см. рис.3.3).

а) плоская стенка (F₁=F₂) б) оребренная стенка (α₂<α₁; F₂^оребр>F₁)

Рис. 3.3. Конструктивный способ интенсификации теплопередачи

за счет оребрения поверхности

Б. Режимный способ интенсификации теплопередачи

Выясним влияние коэффициентов теплоотдачи и на величину коэффициента теплопередачи k. Для этого запишем формулу коэффициента теплопередачи через плоскую стенку при допущении малости термического сопротивления теплопроводности стенки ()

,

где – коэффициент теплопередачи, рассчитанный при допущении .

Рассмотрим два крайних случая соотношения коэффициентов теплоотдачи:

а) если , (пусть ), то в этом случае из последней формулы следует, что ;

б) если , (пусть ), то в этом случае .

Таким образом, коэффициент теплопередачи не может быть больше меньшего из коэффициентов теплоотдачи, т.е. .

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что для увеличения коэффициента теплопередачи необходимо увеличивать меньший коэффициент теплоотдачи за счет изменения режима движения теплоносителя.

РАЗДЕЛ 4. Конвективный теплообмен в однофазных средах

Основные понятия и определения

Конвекция теплоты осуществляется за счет перемещения макрообъемов среды из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция протекает совместно с процессом теплопроводности. Сочетание конвекции и теплопроводности, наблюдаемое в текучих средах, называют конвективным теплообменом. Поэтому плотность теплового потока при конвективном теплообмене рассчитывается по формуле:

,

где – плотность теплового потока при конвективном теплообмене, Вт/м²; – плотность теплового потока при кондуктивном (за счет теплопроводности) теплообмене, Вт/м²; – плотность теплового потока за счет конвекции текучей среды, Вт/м²; – коэффициент теплопроводности флюида, Вт/(м²·К); – градиент температур, К/м; – плотность флюида, кг/м³; – скорость движения флюида, м/с; – удельная энтальпия флюида, Дж/кг; T – температура, ºC или К.

Таким образом, для расчета теплового потока, передаваемого в неизотермической текучей среде необходимо предварительно рассчитать температурное поле и поле скорости.

В зависимости от причины, вызывающей движение текучей среды, различают конвекцию при вынужденном движении или вынужденную конвекцию и конвекцию при свободном движении или свободную конвекцию. При вынужденной конвекции движение текучей среды происходит под действием внешней силы – разности давлений в потоке, которую создает какое-либо транспортирующее флюид устройство, например, вентилятор, насос и т.п. При свободной конвекции движение среды происходит без приложения внешней силы, а вследствие разности плотностей различных объемов среды, которая может возникать из-за переменного поля температуры, т.к. плотность . Переменное поле температур вызывает переменное поле плотности и, вследствие этого, в поле земного тяготения происходит перемещение масс с разной плотностью (легкие слои поднимаются вверх, тяжелые опускаются вниз). В этом случае говорят о свободной тепловой или естественной конвекции. Заметим, что переменная по объему плотность текучей среды может быть создана и путем механического перемешивания сред с различной плотностью (например, при продувке жидкой стальной ванны кислородом).

По интенсивности движения различают два основных режима течения: ламинарный и турбулентный. Для большинства флюидов существует и переходный от ламинарного к турбулентному режим течения.

Признаки ламинарного режима течения:

— частицы среды движутся по плавным взаимно непересекающимся траекториям;

— параметры течения (температура, скорость, давление и концентрация примесей) являются гладкими функциями координат и времени;

— процесс переноса субстанции (теплоты, импульса и массы) осуществляется за счет взаимодействия микрочастиц среды (атомов, молекул, ионов и т. п.). Поэтому коэффициенты переноса субстанции (коэффициент температуропроводности, коэффициент кинематической вязкости и коэффициент диффузии) являются физическими характеристиками вещества. Коэффициенты переноса субстанции для разных веществ определяют экспериментально и приводят в справочных таблицах в зависимости от температуры.

Признаки турбулентного режима течения:

— частицы среды движутся по сложным, ломаным, взаимно пересекающимся траекториям;

— параметры течения (температура, скорость, давление и концентрация примесей) являются пульсирующими функциями координат и времени;

— процесс переноса субстанции (теплоты, импульса и массы) осуществляется за счет взаимодействия макрообъемов среды (турбулентных молей). Поэтому коэффициенты переноса субстанции (коэффициент температуропроводности, коэффициент кинематической вязкости и коэффициент диффузии) зависят от самого режима и не являются физическими характеристиками вещества. Коэффициенты турбулентного переноса субстанции рассчитывают по, так называемым, полуэмпирическим моделям турбулентности, изучение которых выходит за рамки нашего краткого курса.

Существование ламинарного или турбулентного режима течения зависит от соотношения двух сил, действующих в текучей среде: силы инерции ()и силы трения (). При условии имеет место ламинарный режим течения и, соответственно, наоборот, при – турбулентный режим.