Введение. Конвективный теплообмен (теплоотдача)

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ,

ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ

СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ

 

 

Кафедра физики и теплообмена

 

 

Дисциплина:

ТЕПЛОТЕХНИКА

 

 

Л Е К Ц И Я

 

ТЕМА 16: КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

 

 

Автор:

д.ф.-м.н., профессор П.В. Скрипов

 

 

Екатеринбург 2006

Цели лекции:

 

Учебные: Дать представление о физических принципах конвективного движения жидкостей и газов и методах описания процесса теплоотдачи при заданной температуре стенки и различных режимах движения теплоносителя.

 

Воспитательные: Воспитывать стремление к углубленному изучению предмета; прививать убежденность в практической значимости получаемых в лекционном курсе знаний.

 

Развивающие: Развивать способность творчески воспринимать и конспектировать предоставляемый материал; развивать навыки самостоятельной аналитической работы, умение выделять главное, проводить сопоставление и обобщение.

 

Метод проведения: лекция

Время занятия: 120 минут

Место проведения: аудитория

Материальное обеспечение: раздаточный материал с представлением основных соотношений и графиков

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Теплотехника: Учебник для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; под ред. А.П. Баскакова. 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.

2. Техническая термодинамика: Учебное пособие / В.Н.Королёв, Е.М.Толмачёв. Екатеринбург: УГТУ, 2001. 180 с.

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

1. Введение. Конвективный теплообмен (теплоотдача).

2. Основной закон теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи.

3. Локальный коэф­фициент теплоотдачи при продольном об­текании тонкой пластины.

4. Локальный коэф­фициент теплоотдачи при течении теплоносителя внутри трубы.

5. Анализ размерностей и теория подобия. Критерии подобия.

 

Введение. Конвективный теплообмен (теплоотдача)

Обычно жидкие и газообразные теп­лоносители нагреваются или охлаждают­ся при соприкосновении с поверхностями твердых тел. Например, дымовые газы в печах отдают теплоту нагреваемым за­готовкам, а в паровых котлах — трубам, внутри которых греется или кипит вода; воздух в комнате греется от горячих при­боров отопления и т. д. Процесс тепло­обмена между поверхностью твердого те­ла и жидкостью называется теплоот­дачей, а поверхность тела, через кото­рую переносится теплота, - поверхно­стью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.

Различают естественное и вынужденное движение (конвекцию) жидкости. Вынужденное движение создается внеш­ним источником (насосом, вентилятором, ветром). Естественная конвекция возни­кает за счет теплового расширения жид­кости, нагретой около теплоотдающей поверхности (рис. 5.1) в самом процессе теплообмена. Она будет тем сильнее, чем больше разность температур стенки и жидкости Δ t = t _c - t _ж и температурный коэффициент объемно­го расширения жидкости:

, (5.1)

Рис. 9.1. Распределение скоростей и темпера­тур теплоносителя около вертикальной теплоотдающей поверхности при естественной кон­векции

где v = 1/ r — удельный объем жидкости. Для газов, которые в большинстве случаев приближенно можно считать идеальными, коэффициент объемного расширения можно получить, воспользо­вавшись уравнением Клапейрона:

b = 1/ T. (5.2)

Температурный коэффициент объем­ного расширения капельных жидкостей значительно меньше, чем газов, В не­большом диапазоне изменения темпера­тур, а значит, и удельных объемов про­изводную в уравнении (5.1) можно за­менить отношением конечных разностей параметров холодной (с индексом «ж») и прогретой (без индексов) жидкости:

. (5.3)

Наличие разности плотностей r _ж - r = br _ж(t - t _ж) приводит к тому, что на любой единичный объем прогретой жид­кости действует подъемная сила F _п, равная алгебраической сумме вытал­кивающей архимедовой силы А = - r _ж g и силы тяжести G = r g:

F _п = A + G =- g (r _ж - r) = - br _ж g (t - t _ж). (5.4)

Подъемная сила F _п перемещает про­гретую жидкость вверх без каких-либо побуждающих устройств (возникает естественная конвекция). Все рассужде­ния о возникновении естественной кон­векции справедливы и для случая охлаж­дения жидкости с той лишь разницей, что жидкость около холодной поверхно­сти будет двигаться вниз, поскольку ее плотность будет больше, чем вдали от поверхности.

Из-за вязкого трения течение жидко­сти около поверхности затормаживается, поэтому, несмотря на то, что наибольший прогрев жидкости, а соответственно и подъемная сила при естественной кон­векции будут около теплоотдающей по­верхности, скорость движения частиц жидкости, прилипших к самой поверхно­сти, равна нулю (см. рис. 5.1).

Рис 5.1. Распределение скоростей и температур теплоносителя около вертикальной тепло-отдающей поверхности при естественной конвекции.

Сила вязкого трения зависит от ди­намического коэффициента вязкости μ жидкости, измеряемого в Н·с/м² (Па·с). В уравнениях теплоотдачи чаще исполь­зуют кинематический коэффициент вяз­кости

n = m/r (м²/с). Оба эти коэффициента

характеризуют физические свойства жидкости,

их значения приводятся в справочниках.