Изучение процессов теплоотдачи при различных условиях теплообмена

11.1. Цель работы

Изучение процесса теплоотдачи и характеризующих его величин. Ознакомление с законами распространения теплоты посредством теплоотдачи и методами определения основных параметров при переносе теплоты от жидкости к различным типам поверхностей.

11.2. Задачи работы

Выполнить расчет параметров процесса теплоотдачи при переносе теплоты от жидкости к поверхности заданной конфигурации.

11.3. Теоретические положения

Передача теплоты конвекцией осуществляется перемещением в про­странстве неравномерно нагретых объемов газа, пара и капельной жидкости. В общем случае в теории конвективного теплообмена любая среда называется одним наименованием - жидкость.

Конвективным называется теплообмен, обу­словленный совместным действием конвекции и теплопроводно­сти.

Теплоотдачей называется конвективный теплообмен, происходящий:

а) между теплоносителем и омываемой поверхностью (твердым телом, стенкой);

б) между теплоносителем и жид­костью, газом.

Тепловой поток Ф, передаваемый конвекцией, определяется по закону Ньютона-Рихмана:

Ф = q∙F = α ∙(t_C – t_Ж)∙А, Вт/м² (11.1)

где α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²∙К);

t_C и t_Ж – соответственно температура поверхности (стенки) и жидкости, ºС или К;

F – площадь поверхности теплообмена, м².

Главная трудность расчета по уравнению (11.1) заключается в опреде­лении коэффициента теплоотдачиα, зависящего от целою ряда факто­ров: физических свойств омывающей поверхность жидкости (плотности, вязкости теплоемкости, теплопроводности, природы возникновения и скорости движения среды, формы и размеров поверхности

Коэффициент α – величина сложная и ее невозможно определить теоретическим путем. Это связано со значи­тельным влиянием на конвективный теплообмен (теплоотдачу) движения жидкости, которое подразделяется на свободное и вынужденное. Свободное движение среды происходит вследствие разности плотностей нагретых и хо­лодных объемов жидкости, находящейся в гравитационном поле.

Свободное движение называют также естественной конвекцией, оно зависит от рода жидкости, разности температур и объема пространства, в ко­тором происходит процесс.

Вынужденное движение среды возникает под действием посторон­них побудителей (насоса, вентилятора, разности давлений и т.п,). В общем случае наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур в отдельных точках жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.

Движение жидкости может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном режиме частицы жидкости движутся послойно, не переме­шиваясь. Турбулентный режим характеризуется непрерывным перемешива­нием всех слоев жидкости. При любом режиме движения частицы жидкости, непосредственно прилегающие к поверхности омываемого тела, как бы при­липают к ней. В результате вблизи обтекаемой поверхности вследствие дей­ствия сил вязкости образуется тонкий слой заторможенной жидкости, в пре­делах которого ско­рость изменяется от нуля (на поверхности тела) до скорости невозмущенного потока (вдали от тела). Этот слой заторможенной жидкости получил на­звание гидродинамического пограничного слоя.

Интенсивность переноса теплоты зависит от режима движения жидко­сти в пограничном слое. При турбулентном пограничном слое перенос теп­лоты в направлении перпендикулярном движению жидкости обусловлен турбулентным ее перемешива­нием. Однако непосредственно у поверхности тела, в ламинарном подслое, а также в ламинарном пограничном слое теплота в ука­занном направлении передается в основном теплопроводностью.

Поэтому определение коэф­фициента α всегда базируется на экспериментальных данных. Од­нако результаты отдельных экс­периментальных исследований должны быть обобщены с целью распространения на целую группу аналогичных или, как принято го­ворить, подобных явлений. Уче­ние о подобных физических явлениях называется теорией подобия.