Конвективний теплообмін

Перенесення теплоти одночасно теплопровідністю і конвекцією називається конвективним теплообміном.

,

де і – ентальпія (i=cpt); ρ – густина, ω – середня швидкість, ρω – масова швидкість.

;

В теплопередачі конвективний теплообмін маже бути описаний на основі закону Ньютона-Ріхмана:

, де температурний напір; F – площа; α – коефіцієнт тепловіддачі.

.

Тепловий потік пропорційний поверхні і температурному напору, α – коефіцієнт пропорційності, який показує, який тепловий потік проходить, віддається або приймається поверхнею теплообміну при різниці температур в 1 0С між рідиною і стінкою. Коефіцієнт тепловіддачі залежить від роду рідини, від режиму руху рідини, яка омиває стінка, від форми та розмірів стінки, від орієнтації поверхні в просторі (вертикальна чи горизонтальна), від причин руху рідини (вільна чи вимушена конвекція), від наявності електромагнітних та гравітаційних полів. Від того чи відбувається фазовий перехід чи ні. Загалом, коефіцієнт тепловіддачі є функцією більше ніж 25 параметрів.

Коефіцієнт тепловіддачі можна розрахувати.

Тепловіддача без зміни агрегатного стану

Про режим руху рідини в каналах судять по значенню числа Рейнольдса, якщо Re<2000, то режим руху називається ламінарним, а якщо Re>10000 – турбулентний.

, де ω – середня швидкість, яку можна визначити одним із наступних трьох способів:

1. ω =0,5ωmax – при ламінарному русі (І);

2. ω=0,8ωmax – при турбулентному русі (ІІ);

3. ω=V/S – рівняння нерозривності.

l – характерний геометричний розмір, в випадку циліндричної труби l=d_e.

Д ля встановленого турбулентного режиму узагальнення експериментальних даних дозволило отримати розрахункове рівняння Nu=0,021Re0.8Pr0.43.

Тепловіддача залежить від багатьох факторів:

1. Довжини каналу. Якщо l/d<50, то тоді необхідно ввести коефіцієнт ε_l=1,06–1,6.

2. Наявності перегинів; в цьому випадку коефіцієнт набуває вигляду: , де R – радіус кривизни.

3. Залежність від того чи рідина нагрівається чи охолоджується, як наслідок рідина біля стінок може бути холоднішою чи теплішою ніж всередині потоку. Для врахування цього фактору вводять так звану поправку Міхєєва:

, (*)

де - поправка Міхєєва, для газів вона приблизно рівна одиниці.

Р івняння (*) повністю описує тепловіддачу рідини при розвинутому турбулентному режимі в горизонтальній трубі.

Визначальні параметри – це ті параметри, які входять в це рівняння, наприклад:

t_виз = t_ср, α=f(ω0,8), α=f(d-0,2).

Якщо ми хочемо інтенсифікувати процес тепловіддачі необхідно збільшити швидкість потоку.

В перехідному режимі: Nu=0,008Re0.9Pr0.43

Для ламінарного режиму: .

Для Re<2000, Pr=0.6–2500; t_виз = t_ср, l=de.

Коли де w – швидкість потоку рідини, d0 – діаметр, тоді ми маємо плавне безвідривне обтікання рідиною труби (див. рис. а). Якщо тоді за трубою створюються два відокремлені вихрі, а при подальшому зростанні швидкості вихрі зливаються створюючи повністю турбулізований потік (див. рис. б).

Тепловіддача при омиванні пучків труб

Рух рідини має в такому випадку складний характер. Поряд розташовані труби впливають на характер омивання сусідніх. Тепловіддача поступово зростає внаслідок посилення турбулентності по напрямку потоку від першого до третього ряду труб, після чого стабілізується. Проте розташування труб в шаховому (рис. а) порядку веде до більш інтенсивного перемішування рідини ніж при коридорному розташуванні (рис. б), що й обумовлює більш інтенсивну тепловіддачу.

Для обох випадків при Re<1000 . Якщо ж 1000<Re<2·105, то:

1. при шаховому розташуванні .

2. при коридорному розташуванні .

В якості характерного розміру (d_e.) беруть найменшу відстань між трубами. Існують і інші умови протікання чи омивання каналів, критеріальні рівняння для цих випадків можна знайти за довідником з теплопередачі.