Конвективный теплообмен

Программа.

Физическая сущность конвективного теплообмена. Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Факторы, влияющие на коэффициент теплоотдачи.

Основные положения и определения теории подобия. Условия подобия физических явлений. Числа (критерии) подобия. Критериальные уравнения конвективного теплообмена. Определяемый критерий и определяющие критерии.

Основные положения теории пограничного слоя.

Теплоотдача при вынужденном движении жидкости (вдоль плоской стенки и трубы, при поперечном омовении единичной трубы и пучка труб с коридорным и шахматным расположением, внутри труб). Теплоотдача при свободном движении жидкости в неограниченном и ограниченном объеме около вертикальных и горизонтальных поверхностей.

Теплоотдача при изменении агрегатного состояния жидкости. Теплообмен при пленочной и капельной конденсации на вертикальных и горизонтальных трубах. Влияние на теплообмен присутствующих в паре неконденсированных газов. Теплообмен при пузырьковом и пленочном режимах кипения. Кризис кипения.

Методические указания. Эта тема конечно более трудна в изучении. Трудность заключается в том, что для каждого случая теплообмена требуется знать числовое значение коэффициента теплоотдачи a,который не является физической константой, поскольку характеризует не отдельное тело, а тепловое взаимодействие двух тел – жидкости (или газа) и твердого тела, которые имеют свои конкретные свойства. Коэффициент теплоотдачи – это количество теплоты, отданное в единицу времени единицей поверхности стенки при разности температур между стенкой и жидкостью в 1 К (или градус).

, Вт /(м²К).                            (3.4)

Коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин, характеризующих этот процесс.

.

Это не позволяет результаты экспериментальных исследований, полученных при определенных условиях, применять в расчетах теплообменных процессов, которые характеризуются другими условиями.

Теория подобия как раз и позволяет результаты экспериментального метода исследования (в частности конвективного теплообмена) переносить (распространять) на класс подобных явлений. Согласно первой теории подобия, у подобных явлений числа подобия численно равны. Числа (константы) подобия– это безразмерные соотношения параметров, характеризующих процесс.

Конвективный теплообмен описывается четырьмя числами подобия: Рейнольдса (), Грасгофа (), Прандтля () и Нуссельта ().

В формулу числа Нуссельта входит числовое значение коэффициента теплоотдачи, поэтому он является числом, которое определяется, так как, зная его значение, можно определить коэффициент теплоотдачи . Другие три числа (критерия)–являются такими, которые определяют, т.е. Nu = f (Re, Gr, Pr), поэтому они называются определяющими.

В общем случае критериальное уравнение конвективного теплообмена имеет вид:

,                         (3.5)

где значение с, n, m, b – коэффициенты, зависящие от особенностей условий взаимодействия жидкости и твердой стенки; – учитывает направление теплового потока; – коэффициент, зависящий от отношения длины трубы к диаметру (для плоских поверхностей не учитывается).

При вынужденном движении жидкости Gr = 1, тогда

.                           (3.6)

При свободном движении жидкости Re = 1, тогда

.                          (3.7)

В формулах (3.5) -(3.7) определяющая температура – температура жидкости на расстоянии от стенки, определяющий размер – полная длина стенки по направлению потока (l) или диаметр (d).