Учебное пособие по Теплотехнике. УП ТЕПЛОТЕХНИКА (2 вар, 07). Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических
 Скачать 6.53 Mb.
|
ГЛАВА 12. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬТеплопроводность – один из наиболее распространенных на практике способов передачи теплоты, данный процесс наблюдается в твердых, жидких и газообразных телах. В соответствии с молекулярно–кинетической теорией перенос энергии осуществляется при теплопроводности вследствие теплового движения энергетического взаимодействия атомов и молекул, из которых состоит тело (рис. 12.1). Обязательным условием возникновения процесса теплопроводности является наличие разности температур в массе тела или между контактирующими телами.
Рис. 12.1. К оценке процесса теплопроводности: а - кристаллическое тело; б - аморфное тело; в - газ (жидкость) 12.1. Основные определения процесса теплопроводности Тепловой поток – количество тепла, переносимое в единицу времени от одного тела к другому или внутри данного тела. =Вт. Если разделить количество передаваемой теплоты на площадь, через которую она передается, то получим плотность теплового потока , . Тепловой поток и его плотность – это векторы, направленные в сторону убывания температуры. Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела, которое характеризуется температурным полем: t=f(x; y; z; ) – нестационарное температурное поле; t=f(x; y; z;) – стационарное температурное поле. Температурное поле – это совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени. Температура условно может быть представлена как функция трех, двух и одной координаты. Рассмотрим одномерное стационарное температурное поле t = f(x) (рис. 12.2). Распределение температур в теле можно представить в виде изотермических поверхностей. Рис. 12.2. К определению температурного градиента Градиент температур – это предел отношения изменения температуры t к расстоянию между изотермами по нормали x . Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры. 12.2. Закон Фурье, коэффициент теплопроводности Основной закон теплопроводности – закон Фурье – установлен на основе экспериментальных данных: ; . Формулировка закона Фурье: количество тепловой энергии, проходящее в единицу времени через единицу изотермической поверхности, пропорционально градиенту температуры и коэффициенту теплопроводности , свойственному данному веществу. Коэффициент пропорциональности является теплофизической характеристикой, свойственной каждому веществу. Коэффициент теплопроводности , , зависит в общем случае от структуры, влажности, плотности, давления и температуры. Величина для некоторых веществ представлена в табл. 12.1. В технических расчетах значение коэффициента теплопроводности берется в справочной литературе. Наиболее часто в практике учитывают зависимость коэффициента теплопроводности от температуры в виде: 1) линейной функции ; 2) таблично . Таблица 12.1. Характерные значения коэффициента теплопроводности
12.3. Теплопроводность плоской однородной стенки При решении практических задач часто встречается случай передачи тепловой энергии через плоскую пластину, имеющую одинаковые свойства по всей своей толщине (однородную). Основными характеристиками плоской стенки являются (рис. 12.3): – толщина; – коэффициент теплопроводности материала стенки; t1, t2 –постоянные температуры на поверхностях стенки. Рис. 12.3. Характеристики однородной плоской стенки Основной задачей исследования является определение: а) количества передаваемой через стенку тепловой энергии (плотности теплового потока q); б) уравнения температурного поля . Запишем уравнение закона Фурье: или . Считая процесс теплопроводности установившимся , получим, интегрируя . Постоянную интегрирования С находим из граничных условий: . Тогда , . Уравнение температурного поля имеет вид - это линейная зависимость. В случае, если стенка состоит из нескольких слоев, прилегающих друг к другу (рис. 12.4) тепловой поток определяется по формуле или , где – термическое сопротивление многослойной стенки. Если , то . Рис. 12.4. Характеристики многослойной плоской стенки 12.4. Теплопроводность цилиндрической стенки В теплотехнических аппаратах и устройствах тепловая энергия часто передается через цилиндрические поверхности (трубы) – рис. 12.5. Основными характеристиками однородной цилиндрической стенки являются: – внутренний диаметр; – наружный диаметр; l – длина трубы; – коэффициент теплопроводности материала стенки; , – температуры поверхностей. В случае цилиндрической однослойной стенки при решении задачи используем цилиндрическую систему координат, при этом закон Фурье имеет вид . Рис. 12.5. Характеристики однородной цилиндрической стенки Если учесть, что , то или . Проинтегрируем это выражение, считая режим установившимся : . Найдем постоянную интегрирования, используя граничные условия: 1) ; 2) . Тогда . . В данном случае, так как , то . При решении задач с цилиндрической стенкой целесообразно использовать плотность теплового потока по длине трубы: или . Уравнение температурного поля : – это логарифмическая кривая. При расчете многослойной цилиндрической стенки: . Теоретическое сопротивление находим по зависимости (для n слоев): Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала Дайте характеристику трем основным способам передачи тепловой энергии. От чего зависит теплопроводность вещества? Какие вещества являются хорошими проводниками теплоты? Какие вещества плохо проводят тепловую энергию? Как распространяется тепловая энергия в телах с различной структурой? В каких единицах измеряется тепловой поток и плотность теплового потока? Дайте определение температурному полю в теле. Дайте определение градиенту температуры в теле. Запишите уравнение закона Фурье. Дайте характеристику коэффициенту теплопроводности вещества. Как определить коэффициент теплопроводности для любого вещества? От чего зависит коэффициент теплопроводности вещества? Изобразите температурное поле в плоской однородной стенке. Запишите закон Фурье для плоской однородной стенки. Что называется термическим сопротивлением стенки? Изобразите температурное поле в цилиндрической однородной стенке. Запишите закон Фурье для цилиндрической однородной стенки. В каких единицах измеряется коэффициент теплопроводности вещества? Как рассчитать плотность теплового потока по длине трубы? Приведите примеры использования закона Фурье для практических расчетов. ГЛАВА 13. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН Конвективным теплообменом или теплоотдачей называется процесс переноса теплоты между твердым телом и жидкостью или газом. При этом передача теплоты осуществляется одновременно и теплопроводностью, и конвекцией. Конвекцию, или перенос теплоты, связанный с перемещением массы теплоносителя, можно разделить на два вида: свободная конвекция и вынужденная конвекция. Свободная конвекция – обусловлена движением жидкости, возникающим вследствие разности плотностей нагретых и холодных слоев теплоносителя (под действием гравитационной силы) – рис. 13.1. Рис. 13.1. Процесс свободной конвекции у вертикальной поверхности нагрева Если жидкость или газ находятся в контакте с поверхностью нагретого тела, то у поверхности возникает; пристеночный слой л, через который тепло передается только путем теплопроводности (зона I). За этим слоем происходит процесс конвекции (зона II), за пределами которой конвективный теплообмен практически отсутствует и температура теплоносителя не изменяется (зона III). Вынужденная конвекция возникает под действием прилагаемых к теплоносителю внешних сил. Вынужденной конвекции всегда сопутствует свободная, причем они могут иметь различные направления действия. 13.1. Закон Ньютона–Рихмана, коэффициент теплоотдачи Закон конвективного теплообмена (закон Ньютона–Рихмана) получен экспериментальным путем. Формулировка закона Ньютона-Рихмана: количество тепловой энергий, передаваемое от единицы поверхности твердого тела к жидкости или газу в единицу времени, пропорционально разности температур между телом и теплоносителем и коэффициенту теплоотдачи. , Вт/м2. , Вт/м2. Коэффициент теплоотдачи – является эмпирической величиной, зависящей от условий процесса конвективного теплообмена . Коэффициент – может изменяться вдоль поверхности теплообмена, поэтому различают локальное и среднее значения коэффициента теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи – является сложной функцией различных величин, характеризующих процесс передачи тепловой энергии от твердого тела к жидкости или газу , где – скорость движения среды; , – температура тела и теплоносителя; – теплопроводность теплоносителя; с, – теплоемкость и плотность; – вязкость теплоносителя; – коэффициент объемного температурного расширения; l – характерный геометрический размер поверхности теплоотдачи; – коэффициент, оценивающий форму поверхности теплоотдачи; – коэффициент шероховатости поверхности. Величины, характеризующие процесс передачи тепловой энергии от твердого тела к жидкости или газу разделены на четыре группы: I группа оценивает скоростные характеристики движущегося теплоносителя. II группа – температурные параметры процесса. III группа – теплофизические параметры теплоносителя (включая действующие в нем силы трения). IV группа – определяет геометрические характеристики процесса теплообмена. Для точного определения величины коэффициента теплоотдачи необходимо знать распределение температуры в теплоносителе. , . Решая совместно, получим . В реальных условиях значение градиента температуры замерить очень сложно из–за постоянно меняющегося вида температурного поля в жидкости или газе, поэтому значение определяют другими методами. 13.2. Подобие процессов теплопередачи Математическое описание процессов теплопередачи включает в себя дифференциальные уравнения и граничные условия, в том числе: 1. Уравнение теплопроводности (закон Фурье). 2. Уравнение движения. 3. Уравнение сплошности. 4. Уравнение теплоотдачи (закон Ньютона–Рихмана). 5. Условия однозначности, определяющие условия протекания процесса теплопередачи. Найти точное решение этих уравнений для большинства практических случаев теплопередачи затруднительно, поэтому прибегают к экспериментальным данным, полученным в результате исследования процессов передачи тепловой энергии. Для возможности обобщения экспериментальных данных используется теория подобия, исследующая подобие физических явлений, протекающих в различных условиях. Теория подобия основывается на: а) математическом подобии, выполняющемся в случае, если качественно одинаковые физические явления описываются одинаковыми уравнениями; б) геометрическом подобии, имеющем место, если подобные явления протекают в геометрически подобных системах; в) масштабном подобии в пространстве и времени: ; ; . г) численном подобии. Безразмерные комплексы, включающие в себя характеристики процесса теплопередачи, называются числами подобия. Числа подобия (критерии подобия) можно получить для любого физического процесса, для этого необходимо иметь его математическое описание. Если число подобия включает в себя только величины, входящие в условия однозначности (условия протекания процесса теплоотдачи), то они называются определяющими критериями. Числа подобия, которые рассчитываются только при известных определяющих критериях, называются определяемыми критериями. Численное подобие предусматривает идентичность всех чисел подобия, описывающих подобные тепловые процессы. Основные положения теории подобия можно сформулировать в виде трех теорем: I теорема: Подобные между собой процессы описываются одинаковыми между собой числами подобия. II теорема: Зависимость между всеми параметрами физического процесса может быть установлена в виде зависимости между числами подобия. Эта зависимость называется уравнением подобия . III теорема: Подобны те процессы, условия однозначности у которых подобныи определяющие числа подобияимеютодинаковоечисленноезначение ; ; ……….. Итак, теория подобия позволяет, не решая дифференциальных уравнений, получить из них числа подобия и, используя опытные данные, установить уравнения подобия, которые справедливы для всех подобных между собой процессов. 13.3. Основные числа подобия процесса теплоотдачи Число Рейнольдса – характеризует условия движения теплоносителя (связывает скоростные характеристики потока с действием сил трения) . Все случаи движения теплоносителя, встречающиеся на практике, можно разделить на три вида (рис. 13.2): Рис. 13.2. К понятию режима движения теплоносителя Ламинарный режим – режим упорядоченного движения. Переходный режим – сопровождается появлением волнообразных возмущений в движущейся среде. Турбулентный режим – характеризуется интенсивными завихрениями и хаотическим перемещением теплоносителя. При переходе от ламинарного к турбулентному движению происходит выравнивание эпюры скоростей . Установлено, что каждый режим движения имеет свой диапазон изменения числа Рейнольдса. Критическое значение числа – соответствует переходному режиму и имеет определенную величину. Использование числа Рейнольдса правомерно только в случае вынужденной конвекции. Число Грасгоффа – характеризует относительную эффективность подъемной силы, вызывающей свободную конвекцию (связывает действие гравитационной силы и силы сопротивления трения с учетом влияния режима изменения температуры) , где . Число Грасгоффа применяется только в случае свободной конвекции. Движение теплоносителя без воздействия внешних сил может носить как ламинарный, так и турбулентный характер. В случае свободной конвекции переход от одного режима к другому имеет место при определенном значении числа Грасгоффа. 3. Число Прандтля - характеризует теплофизические свойства теплоносителя (оценивает влияние температурного режима в потоке на его вязкость , способность проводить и аккумулировать тепловую энергию) , где – коэффициент температуропроводности. Числа Re, Gr, Рr – определяющие критерии, так как они рассчитываются на основе данных, входящих в условия однозначности. 4. Число Нуссельта . Для определения физического смысла числа Нуссельта рассмотрим следующее соотношение: . Критерий Нуссельта характеризует интенсивность конвективного теплообмена (связывает количество теплоты, передаваемой за счет конвекции, и перенос теплоты за счет теплопроводности при одном и том же перепаде температур) – рис. 13.3. Рис. 13.3. Сравнение процессов конвекции и теплопроводности Число Нуссельта является определяемым критерием, так как включает в себя неизвестную величину – коэффициент теплоотдачи .. Кроме рассмотренных чисел подобия используются и другие критерии, однако они имеют меньшее распространение на практике. 13.4. Уравнения подобия Обобщение опытных данных, полученных в экспериментах, производится на основе теории подобия, при этом основным путем является составление уравнений подобия, описывающих процесс теплообмена. Уравнения подобия включают в себя числа подобия, учитывающие влияние условий однозначности на процессе теплоотдачи. Каждый конкретный случай теплообмена описывается своими уравнениями подобия, однако можно выделить два основных случая: 1). Уравнение подобия для свободной конвекции связывает число Нуссельта и критерии Грасгоффа и Прандтля. Наиболее простая функция может иметь вид . 2). Уравнение подобия для вынужденной конвекции связывает число Нуссельта с критериями Рейнольдса и Прандтля. Часто распространена зависимость вида . В очень редких случаях свободная и вынужденная конвекция могут проявляться одновременно, тогда . 13.5. Основные случаи теплообмена Рассмотрим процессы передачи тепловой энергии от поверхности твердого тела к жидкости или газу, наиболее распространенные на практике: а). Теплоотдача от плоской пластины при обтекании ее теплоносителем. При движении теплоносителя вдоль поверхности пластины появляется пограничный слой толщиной , в котором наблюдается ламинарный режим движения (рис. 13.4, 13.5).
Достигая какого–то значения координаты х происходит переход от ламинарного к турбулентному движению, при этом толщина характеризует слой взаимодействующего с поверхностью теплоносителя: ; . Переход к турбулентному режиму течения жидкости в пограничном слое определяется по критическому значению числа Рейнольдса . Между распределением температур и скоростей, как при ламинарном, так и при турбулентном движении есть определенное, соответствие. Процесс теплообмена между поверхностью пластины и теплоносителем описывается законом Ньютона–Рихмана: . В представленной формуле все зависимости даны как среднеинтегральные величины . . . Так как коэффициент теплоотдачи изменяется по площади или координате х, то принимают в расчетах его среднеинтегральное значение . Значение , соответствующее данному значению х, называется локальным (местным) коэффициентом теплоотдачи, который может существенно отличаться от средней величины. Для всех случаев движения теплоносителя при обтекании пластины получены уравнения подобия вида , , – применяемые для описания процессов вынужденной конвекции. б). Теплоотдача при течении теплоносителя по трубам. Определяющим условием процесса теплоотдачи при движении теплоносителя в трубах является гидродинамический режим. При вынужденном движении жидкости внутри трубы различают два режима течения: ламинарный и турбулентный. Ламинарный режим наблюдается при малых скоростях движения жидкости. При скоростях потока, больших некоторого значения кр, режим течения переходит в турбулентный (рис. 13.6). Для различных жидкостей и трубопроводов критическая скорость различна. Режим течения жидкости определяется по величине числа Рейнольдса . Рис. 13.6. Распределение скоростей при ламинарном и турбулентном течении жидкости Различают средний и локальный коэффициент теплоотдачи (рис. 13.7), которые могут быть определены из уравнения Ньютона–Рихмана: , . Рис. 13.7. Изменение локального и среднего коэффициента теплоотдачи в зависимости от длины трубы В обычных условиях температура поверхности меняется незначительно, а температура теплоносителя вычисляется . При незначительном изменении температуры tж,среднеарифметический температурный напор определяется по зависимости: . При значительном отклонении для вычисления среднелогарифмического температурного напора используют зависимость: . На рис. 13.8 представлено изменение температурного напора вдоль трубы при неизменной температуре её поверхности. Рис. 13.8. Изменение температурного напора вдоль трубы при tc=const Среднее значение коэффициента теплоотдачи можно определить, найдя из соответствующего уравнения подобия величину числа Нуссельта . Например, для ламинарного режима : , для турбулентного режима : . в). Теплоотдача при свободной конвекции. Процесс теплообмена при свободной конвекции теплоносителя имеет весьма широкое распространение как в технике, так и в природе. Большое значение для развития свободной конвекции играет протяженность поверхности нагрева и ее положение в пространстве (рис. 13.9 -13.11).
Рис. 13.11. Характер свободного движения теплоносителя около нагретых поверхностей Различают свободную конвекцию в неограниченном и замкнутом пространстве. Режим движения теплоносителя зависит от величины произведения Gr∙Pr. Получены уравнения подобия для тел разной формы и расположения в пространстве: Для горизонтальных труб при : . Для вертикальных поверхностей (трубы, пластины) при (ламинарный режим): . Для вертикальных поверхностей при (турбулентный режим): . При движении в ограниченном пространстве конвекция приобретает сложный характер и зависит от геометрии объекта и его положения в пространстве. г). Теплоотдача при поперечном обтекании труб. Процесс теплоотдачи при поперечном обтекании труб имеет ряд особенностей, которые объясняются гидродинамической картиной движения теплоносителя вблизи поверхности трубы (рис. 13.12). а) б) в) Рис. 13.12. Обтекание одиночного цилиндра: а) безотрывное; б) отрыв ламинарного пограничного слоя; в) отрыв турбулентного пограничного слоя. Развитие пограничного слоя вдоль периметра трубы происходит при условиях переменной внешней скорости потока и переменного давления (рис. 13.13). При ламинарном течении жидкости отрыв пограничного слоя происходит при = 0. При турбулентном течении жидкости устойчивость пограничного слоя возрастает, и отрыв его происходит при > 120140○. За зоной отрыва происходит перемешивание слоев теплоносителя в неупорядоченной форме. Процесс движения теплоносителя в значительной мере влияет на теплоотдачу (рис. 13.14).
Максимальное значение коэффициента теплоотдачи наблюдается на лобовом участке трубы и снижается с ростом толщины пограничного слоя до угла его отрыва. Процесс теплоотдачи еще более усложняется, если в поперечном потоке теплоносителя имеется не одна, а пучок труб. В этом случае вводятся поправки, учитывающие компоновку пучка и частоту расположения труб в пучке. 13.6. Теплообмен при кипении жидкости Кипение – это процесс образования пара внутри объёма жидкости. Для появления этого процесса всегда необходим некоторый перегрев жидкости, то есть превышение температуры жидкости над температурой насыщения при заданном давлении . Обычно тепловая энергия, требуемая для поддержания кипения, подводится к жидкости через твердую поверхность, такой случай представляет наибольший интерес с практической точки зрения. В случае свободного движения жидкости около поверхности нагрева происходит кипение в большом объёме. Процессом кипения можно управлять, регулируя температуру поверхности нагрева или плотность теплового потока на стенке (рис. 13.15).
Рис. 13.15. Кривые, характеризующие кипение в большом объеме: а - задана температура стенки (ts); б - задана плотность теплового потока (qs) Процесс кипения начинается, если перегрев превысит определенную величину (зависящую от чистоты жидкости, качества поверхности нагрева), перегрев жидкости происходит в зоне I. При на поверхности нагрева образуются паровые пузыри, которые растут и отрываются, появляется пузырьковый режим кипения (зона II), при этом тепловой поток . В этой зоне коэффициент теплоотдачи и количество передаваемого тепла растет. В зоне III будет наблюдаться переходный режим кипения, при котором часть поверхности нагрева будет контактировать с паром. При этом коэффициент теплоотдачи и тепловой поток будут уменьшаться . Дальнейшее повышение температуры степени приведет к образованию сплошной пленки пара на поверхности нагрева – в результате возникает пленочный режим кипения (зона IV). При задании плотности теплового потока при определенных значениях этой величины возможны кризисы кипения жидкости: при – резкое увеличение температуры поверхности нагрева за счет перехода с пузырькового на пленочный режим кипения; при в случае уменьшения теплового потока – резкое снижение температуры поверхности нагрева за счет обратного перехода. Вид процесса кипения зависит от физических свойств вещества и давления. Коэффициент теплоотдачи при кипении принято определять через температурный напор . 13.7. Теплообмен при конденсации пара В зависимости от условий окружающей среды процесс конденсации может происходить в объеме пара или на охлаждаемой поверхности, с которой соприкасается пар. Различают процессы конденсации неподвижного и движущегося пара, насыщенного, влажного и перегретого пара. На поверхности, не смачиваемой образующимся конденсатом, жидкость охлаждается в виде отдельных капель – происходит капельная конденсация. На смачиваемой поверхности конденсат образует сплошную пленку – происходит пленочная конденсация. Режим движения пара и конденсатной пленки может быть ламинарным или турбулентным. а). Пленочная конденсация. Пленочная конденсация (рис. 13.16) является наиболее распространенной на практике. В процессе пленочной конденсации вся теплота, выделяющаяся на внешней границе пленки, отводится к поверхности охлаждения. При ламинарном движении жидкостной пленки перенос теплоты через нее осуществляется только путем теплопроводности. Если принять, что температура конденсата, соприкасающегося с паром, равна температуре насыщения , то плотность теплового потока можно описать уравнением: , где – толщина пленки; – коэффициент теплопроводности конденсата; – температура поверхности. Рис. 13.16. Пленочная конденсация на вертикальной стенке С другой стороны при конденсации справедлив закон Ньютона–Рихмана: . Сопоставив эти два выражения, получим следующую зависимость: . Следовательно, определение коэффициента теплоотдачи сводится к измерению толщины пленки конденсата, которая может быть получена из анализа условий его течения. Движение пленки конденсата описывается дифференциальным уравнением вида . где – скорость стекания пленки. Проинтегрировав это выражение можно получить уравнение: . Из граничных условий при , , , при : , . Подставив значение и ,в первоначальное уравнение для определения скорости стекания плёнки получим закон распределения скорости в слое конденсата: . Определим количество жидкости протекающей в единицу времени через сечение х: , тогда . Из этого следует, что толщина пленки возрастает с увеличением расхода конденсата по закону: . Величина может быть получена из уравнения теплового баланса для участка длиной х: . Подставляя в уравнение величину Gx и qx из предыдущих уравнений, получим значение коэффициента теплоотдачи . На рис. 13.17 показаны характер изменения толщины пленки и коэффициента теплоотдачи при вертикальном расположении поверхности конденсации. На протекание процесса конденсации оказывает влияние: а) перегрев пара; б) состояние поверхности; в) содержание в паре недоконденсирующихся газов; г) скорость и направление движения пара; д) компоновка поверхности нагрева. Рис. 13.17. Характер изменения толщины пленки (δ) и коэффициента теплоотдачи (α) при вертикальном расположении поверхности конденсации Капельная конденсация идет значительно более интенсивно, чем пленочная, так как несмачиваемость поверхности способствует стеканию конденсата и уменьшению термического сопротивления, связанного с образованием пленки. 13.8. Использование уравнений подобия для расчета процессов конвективного теплообмена Большинство практических расчетов, связанных с определением основных характеристик процесса конвекции носит исследовательский характер. То есть при их выполнениях требуется индивидуальный подход, свойственный сложным инженерным задачам. Несмотря на это, существует единая методика, которая широко используется при определении коэффициента теплоотдачи, а, следовательно, и величины теплового потока, передаваемого от поверхности твердого тела к жидкости или газу. Эта методика основывается на использовании известных уравнений подобия, полученных на основе обработки многочисленных экспериментов методами теории подобия. Для любой решаемой на практике задачи в существующей справочной литературе по теплообмену можно найти процесс–аналог, который уже подвергнут опытному исследованию и для которого составлено соответствующее описание в виде уравнений подобия. Если полного процесса–аналога обнаружить не удается, следует прибегнуть к упрощению задачи до допустимого уровня, позволяющего решить её известными методами. Порядок расчета процессов конвективного теплообмена состоит из следующих разделов: 1. Определяются условия однозначности, влияющие на процесс теплоотдачи: а) вид теплоносителя (жидкость или газ); б) вид поверхности нагрева и её расположение в пространстве; в) особенности движения теплоносителя около поверхности нагрева (свободное движение, вынужденное движение и т.д.). 2. По условиям однозначности выбирается процесс–аналог, описание которого находится в справочной литературе, оно включает в себя: а) вид уравнений подобия, по которым рассчитывается процесс: , ; б) диапазон действия уравнений подобия, устанавливаемый относительно изменения одной или нескольких определяющих характеристик процесса, например ; в) значения поправочных коэффициентов к уравнениям подобия, учитывающих особенности реальной задачи , где – учитывает шероховатость поверхности. 3. Рассчитываются или берутся по справочникам значения параметров, входящих в числа подобия, составляющих выбранное уравнение подобия: ; ; ; ; ; ; . При определении теплофизических характеристик теплоносителя учитывается их зависимость от температурного режима процесса: ; ; ; ; . 4. По выбранному уравнению подобия производится расчет числа Nu. 5. Определяется коэффициент теплопередачи: . 6. По уравнению закона Ньютона–Рихмана находится тепловой поток или его плотность: ; . Такова примерная методика определения характеристик процесса теплоотдачи, которая применяется в настоящее время для расчета большинства теплообменных аппаратов и других теплотехнических устройств, в которых тепловая энергия передается путем конвекции. Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала Дайте характеристику процессу конвективного теплообмена (теплоотдачи). Назовите виды конвекции, объясните разницу между ними. За счет действия каких сил происходит движение среды около нагретого тела. Как обеспечить вынужденную конвекцию жидкости (газа)? Запишите уравнение закона Ньютона-Рихмана. Дайте характеристику коэффициенту теплоотдачи. В каких единицах измеряется коэффициент теплоотдачи? От каких величин зависит коэффициент теплоотдачи? Почему коэффициент теплоотдачи невозможно найти в таблицах справочников? Объясните основные положения теории подобия для процесса теплообмена. Для чего используются числа подобия, назовите основные из них. Запишите уравнения подобия для свободной конвекции в общем виде. Запишите уравнения подобия для вынужденной конвекции в общем виде. Дайте характеристику числу подобия Нуссельта. Дайте характеристику числу подобия Прандтля. Дайте характеристику числу подобия Грасгоффа. Дайте характеристику числу подобия Рейнольдса, назовите режимы течения среды. Назовите наиболее распространенные случаи теплообмена. Как использовать уравнения подобия для расчета процесса теплоотдачи? Какая конвекция – свободная или вынужденная - обеспечивает больший перенос теплоты? | |||||||||||||||||||||||||||