2.2. Основной закон теплоотдачи

При расчетах теплоотдачи используют закон Ньютона-Рихмана, согласно которому тепловой поток Q пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур стенки и жидкости:

при (t_c>t_ж) , Вт,

(2-1)

при (t_c<t_ж) , Вт.

Величина α является, по своей сути, коэффициентом пропорциональности, который учитывает имеющуюся специфику происходящих процессов и называется коэффициентом теплоотдачи. Основная и наиболее сложная задача инженерных расчетов теплопередачи состоит в правильном расчете значении α. Для этого необходимо корректно подобрать расчетную зависимость, если она имеется, а при отсутствии таковой - провести экспериментальные исследования.

Коэффициент теплоотдачи соответствует тепловому потоку, отдаваемому (получаемому) единицей поверхности при разности температур между поверхностью и жидкостью, равной одному градусу:

или , Вт/(м²К). (2-2)

В общем случае коэффициент теплоотдачи может изменяться вдоль поверхности теплообмена, и поэтому различают средний по поверхности коэффициент теплоотдачи и местный (локальный) коэффициент теплоотдачи, соответствующий единичному элементу поверхности.

Процесс теплоотдачи является сложным процессом, а коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин, характеризующих этот процесс. В общем случае коэффициент теплоотдачи является функцией формы Ф, размеров l₁, l₂,…, температуры поверхности нагрева t_с скорости жидкости w, ее температуры t_ж, теплофизических свойств жидкости S и других факторов:

(2-3)

Процессы теплоотдачи неразрывно связаны с условиями движения жидкости. Как известно, имеются два основных режима течения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме течение имеет «слоистый» характер без поперечных пульсаций и перемешивания. При турбулентном режиме течение носит вихревой неупорядоченный характер (рис. 2-1). При этом имеют место поперечные пульсации и перемешивание потока, способствующие переносу частиц жидкости к стенке и наоборот, что улучшает теплоотдачу.

О режиме течения можно судить по числу Рейнольдса, которое в общем случае определяется

.

Переход ламинарного режима в турбулентный происходит при критическом значении этого числа Re_кр. Так например, при движении жидкости в трубах .

а

б

в

Рисунок 2.5 – Фотографии визуализации движения жидкости в трубе при ламинарном (а), переходном (б) и турбулентном (в) режимах

В качестве теплоносителей применяются самые разнообразные вещества — воздух, газы, вода, масла, бензол, нефть, бензин, спирты, расплавленные металлы и различные специальные смеси. В зависимости от рода и физических свойств этих веществ теплоотдача протекает различно. Для каждого теплоносителя физические свойства имеют определенные значения и, как правило, являются функцией температуры, а некоторые — и давления.

основными теплофизических свойствами теплоносителей, используемыми при описании теплоотдачи являются: коэффициент теплопроводности λ, удельная теплоемкость с_р (изобарная) и c_ν (изохорная), плотность вещества ρ, коэффициент температуропроводности , коэффициент вязкости μ (динамической) и ν (кинематической), температурный коэффициент объемного расширения β. Для газов температурный коэффициент объемного расширения определяется как β=1/Т.