24. Основной закон конвективного теплообмена. Коэффициент теплоотдачи и факторы, от которых он зависит.

Основной закон конвективного теплообмена – это закон теплоотдачи Ньютона-Рихмана.

Q=(tср-tпов)*F, Вт

α –коэффициент

tср-tпов - температурный напор,Δt= tср-tпов

F - омываемая площадь.

dQ=(tср-tпов)dF

Формула Ньютона используется одинаковым образом как для задач нагрева поверхности:

t ср>t пов

Так и для задач охлаждения:

t ср<t пов

Самым трудным при использовании формулы Ньютона в инженерных расчетах явл-ся задание величины α:

α ;Вт/(кв.м*град)

Причина в том, что коэффициент теплоотдачи при обтекании различных поверхностей различными газами и жидкостями может изменяться в очень широких пределах (от нескольких единиц до нескольких десятков тысяч).

Причин, влияющих на величину коэффициента теплоотдачи, много и к основной из них относятся следующие:

1.Скорость потока, обтекающего поверхность.

Чем выше скорость, тем больше коэфф.теплоотдачи.

2. Характер течения жидкости или газа, который может быть ламинарным или турбулентным. В большинстве случаев теплоотдача выше при турбулентном течении.

3. Характер пограничного слоя (ламинарный, турбулентный).

4. Степень турбулентности обтекающего потока. Чем выше степень турбулентности, тем выше теплоотдача. Степень турбулентности характеризует интенсивность хаотического неупорядоченного движения частиц и рассчитывается по величине до квадратичной скорости пульсационного движения.

5. Характер возникновения движения: течение может быть вынужденным и свободным.

Вынужденное течение – это течение за счет использования работы внешних устройств (насосов, вентиляторов, компрессоров, воздуходувов).

Свободное течение возникает в поле действия массовых сил(например, в поле силы тяготения) в результате подъемной силы по закону Архимеда вследствие резкости плоскостей нагретой и холодной жидкостей.

6. Причины, обусловленные теплофизическими свойствами среды:

Теплоемкость среды обтекающей поверхности:

Ср, кДж/(кг*град)

Чем выше теплоемкость, тем большее количество тепловой энергии транспортируется единицей массы среды (вода – лучший теплоноситель)

Ср (воды)=4187 Дж/(кг*град)

Ср (воздуха)=1,05 Дж/(кг*град)

7. Коэффициент температуропроводности

α=λ/(сρ)

Чем выше α - тем выше λ.

Коэффициент температуропроводности учитывает и коэффициент теплопроводности, и плотность самой жидкости.

8. Вязкость жидкости.

Вязкость определяет фомирование как теплового, так и гидродинамического пограничного слоя, и тем самым влияет на α.

9. Фактор теплового характера – это направление теплового потока либо от степенки к жидкости, либо наоборот. В большей мере проявляется в капельных жидкостях.

10. Факторы геометрического характера, т.е. форма, размеры тела и состояние его поверхности.

В общем случае можно написать, что:

α=f(w,λ,c,ρ,Cр,ε,δ,β,tср,tпов,Ф,l,ln)

25. Система 4-х основных уравнений теплообмена.

Для описания явления тепломассообмена проведения теоретических и численных расчётов используется в основном 4 вида дифф.уравнений:

1.Уравнение теплоотдачи Фурье – Ньютона:

Представляет собой объединение уравнения Фурье для теплопроводности и уравнение Ньютона для теплоотдачи применительно к жидкости, примесей к обтекаемой поверхности имеющий вид:

; Вт/(кв.м*гр. Цель)

2.Уравнение Энергии

3. Уравнение неразрывности (выражает закон сохранения массы)

Для несжимаемой жидкости p=const

++0div(W)=0

4. Уравнение движения

p

Данное уравнение может быть представлено в проекции на оси координат:

X:

Y:

Z:

В уравнении движения в левой части находятся величины, зависящие от распределения скоростей в потоке, в правой части находятся величины, которые учитывают в общем случае все силы действующие на поток.

В приведённой форме уравнения учтены 3 вида сил:

-учитывает силу притяжения.

p - учитывает силу давления, действующего на поток

-учитывает силу вязкости в потоке (то есть силу трения в потоке)

Решение всей этой системы уравнений требует грамотного задания условий однозначности и теоретически возможно для простых случаев течения ( ламинарное течение в круглой трубе, ламинарное обтекание в плоской пластине).

Для многих практически важных сложных случаев теплоносителей в технич. устройствах теоретическое получение результатов, пригодных для применения, является невозможным в силу непреодолимых трудностей постановочного и аналитического характера.

Для самых сложных случаев применяют численные методы решения либо проводят эксперименты для получения опытных данных.