Конвективтік жылуалмастыру

Конвекция процесі сұйық және газ ортасында жүзеге асатын процесс. Конвекция кезінде жылуауысу газбен суықтың қозғалғаны арқылы орындалады.Практикада конвекция мен жылуөткізгіштік бірге жүзеге асатын болғандықтан конвективтік жылуалмастыру деп аталады. Конвекция екі түрді болып кездеседі: жасанды конвекция және еркін конвекция. Жасанды конвекция кезінде сұйық (газ) ортасының қозғалысы сырттан берілген күш арқылы жасалады. Еркін конвекция кезінде сұйық (газ) ортасының қозғалысы температура мен тығыздық өзгерген кезде пайда болады.

Конвективтік жылуалмастыру процестің негіздері Ньютон-Рихман заңымен анықталады:

(3.26)

мұндағы Q- жылу ағыны, Вm;

F- беттіктің аймағы, ºС;

қоршаған ортаның температурасы, ºС;

беттіктің температурасы, ºС;

жылуалмастыру коэффициенті, Вm/м².С.

Физикалық табиғатына қарағанда конвективтік жылуалмастыру процесі өте күрделі, көптеген факторлармен ь-байланысты болып жүзеге асады.Жылуалмастыру коэффиценті α-қоршаған ортамен дененің арасындағы белгіленген уақытта температураның 1ºС өзгергенің көрсетеді. Жылуалмастыру коэффиценті жалпы түрінде келесі параметрлерге байланысты болады:

(3.27)

Көрсетілген теңдеуде қоршаған ортаның параметрлері; ағынның жылуалмасуы, тұтқырлығы, дененің өлшемдері.Көптеген жағдайда жоғарыда көрсетілген теңдеу арқылы жылуалмастыру коэффицентін есептеуге қажетті мәлімметтер болғандығынан эксперименталдық зерттеу жүргізеді. Конвективтік жылуалмастыру процесін сипаттау үшін диффереренциалды теңдеулерді пайдалануға мүмкін.Мұндай теңдеулерде процестің жылулық және динамикалық жағдайлары еске алынады.

Диффренциалды келесі түрлерге келтіріліп шығаруға болады.

1. Фурье- Кирхгова теңдеуі. Қоршаған ортада температура өзгерісінің уақыттық және кеңістік координаттарын акнықтайды:

(3.28)

2. Навье- Стокс теңдеуі:

(3.29)

3. Тұтастық теңдеуі:

(3.30)

Келтірілген теңдеулерді қосып есептегенде конвективтік жылуалмастыру

Процестің аналитикалық шешімін анықтауға мүмкіндік туғыздырады.

Практикалық жағдайда конвективтік жылуалмастыру коэффиценті кестелер жинақтарынан табылады. Осы себептен практикалық есептерде ұқсастар теориясының негіздерін пайдаланады. Бұл термин геометриядан алынған. (3.4- сурет).

3.4 - сурет

Егер 6-суретте көрсетілген А және В фигураларына келесі шарт орындалатын болса:

(3.31)

Осы фигулалар бір-біріне ұқсас деп есептеледі.

Физикалық оқиғаға геометриялық көзқарасты келтіретіндей болсақ физикалық ұқсастықты анықтаймыз:

(3.32)

мұнда бірінші физикалық оқиғаның параметрлері;

екінші физикалық оқиғаның параметрлері;

ұқсастық константалары.

Жылуалмастыру процесінде көрсетілген әдіс бойынша көптеген константалар, өлшемсіз критерилер анықталған.(Рейнольде, Нуссельт, Прандталь т.б). Ұқсастық теориясының негіздерінде үш теорема пайдаланған. Бұл теоремалар физикалық оқиғаны жан-жақты талдауға мүмкіндік туғыздырады.

1 теорема: ұқсас оқиғалардың ұқсастық сандары бір-біріне тең;

2 теорема: Ұқсас оқиғалардың өзара байланысын ұқсастық сандармен көрсетуге болады. Мұндай байланыс ұқсастық теңдеуі деп аталады;

3 теорема: жағдайлары бір-біріне тең оқиғалар өзара ұқсас деп саналады.

Ұқсастық сандпрға жататындар:

- Рейнольд саны. Қоршаған ортаның гидромеханикалық сипаттамасы.

Жылуалмастыру процесін анықтауға қажет:

(3.33)

мұндағы ағын жылдамдығы;

геометриялық параметр;

кинематикалық тұтқырлық.

-Прандталь саны. Теплофизикалық сипаттама.

(3.34)

мұндағы динамикалық тұтқырлық;

жылу сыйымдылық;

жылуөткізгіштік коэффиценті;

температура өткізгіштік коэффициенті.

-Грасгофф саны. Еркін конвекция кезіндегі көтергіш күштерді сипаттайды

(3.35)

мұндағы коэффициент;

q- 9.81м/с²;

қоршаған ортамен беттік арасындағы температура айырмашылығы;

L- геометриялық параметр.

- Нуссельт саны. Конвективтік жылуалмастыру процесін сипаттайды.

(3.36)

мұндағы жылу беру коэффиценті;

геометриялық өлшем;

қоршаған ортаның жылуөткізгіштік коэффициенті.

- Био саны.

Дененің термиялық қасиеттерін анықтайды.

(3.37)

мұндағы жылу беру коэффиценті,

геометриялық өлшем;

дененің жылуөткізгіштік коэффициенті.

Био санымен Нуссельт саны өзара ұқсастығы болса да табиғаты әр түрлі.

Нуссельт санының құрамына қоршаған ортаның жылуөткізгіштік коэффиценті

кіретін болса БИО санының құрамына дененің жылуөткізгіштік коэффициенті

көрсетілген.

- Фурье саны.

(3.38)

мұндағы а- температураөткізгіштік коэффициенті;

уақыт;

геометриялық өлшем;

Фурье саны тұрақсыз режимдерде өтетін процестерді есептеуге пайдаланады.Ұқсастық сандар арқылы конвективтік жылуалмастыру процесінің ұқсастық теңдеулерін анықтауға болады.

- еркін конвекция үшін: