- •Теоретичні основи теплотехніки (тот) Лекція 1
- •Сучасний стан теплоенергопостачання
- •Лекція 2 Технічна термодинаміка
- •Параметри стану робочого тіла
- •Лекція 3
- •Теплота і робота
- •Ідеальний газ. Універсальне рівняння стану ідеального газу Менделєєва-Клапейрона.
- •Лекція 4
- •Перший закон термодинаміки
- •Термодинамічний аналіз процесів зміни стану робочого тіла
- •Методика дослідження термодинамічних процесів зміни стану робочого тіла (ідеального газу)
- •Лекція 5
- •Ізохорний термодинамічний процес (при сталому об’ємі)
- •Аналіз ізобарного термодинамічного процесу
- •Ізотермічний термодинамічний процес
- •Адіабатний ізотермічний процес
- •Політропний термодинамічний процес
- •Другий закон термодинаміки
- •Термічний ккд та холодний коефіцієнт
- •Цикл Карно. Теорема Карно.
- •Лекція 6
- •Реальний газ
- •Лекція 7
- •Вологе повітря. Hd-діаграма вологого повітря
- •Лекція 8
- •Термодинаміка потоку
- •Сопло Лаваля.
- •Дроселювання газів і парів
- •Лекція 9
- •Машини для стиску та розширення газів
- •Односхідчастий поршневий компресор. Дійсна індикаторна діаграма.
- •Багатосхідчастий поршневий компресор
- •Лекція 10
- •Цикли теплових двигунів. Цикли поршневих двз.
- •Лекція 11
- •Термодинамічний аналіз поршневого двз з підводом теплоти при сталому об’ємі (цикл Отто, цикл бензинового двигуна).
- •Цикл поршневого двз з підводом теплоти при . Цикл Дизеля компресорного дизельного двигуна
- •Цикл поршневого двз із змінним підводом теплоти (цикл Трінклера)
- •Лекція 12
- •Цикли газотурбінних установок (гту)
- •Цикл реактивних двигунів
- •Лекція 13
- •Цикли холодильних машин і теплових насосів
- •Лекція 14
- •Теорія тепломасообміну (теплопередача)
- •Температурне поле. Градієнт температури.
- •Теплопровідність. Закон Фур’є.
- •Лекція 15
- •Конвективний теплообмін
- •Диференційне рівняння конвективного теплообміну
- •Основи теорії подібності і моделювання
- •Лекція 16
- •Теплове випромінювання
- •Закон Планка
- •Закон Стефана-Больцмана
- •Закон Кірхгофа
- •Процеси теплопередачі
- •Теплопередача через циліндричну стінку
- •Лекція 17
- •Теплообмінні апарати
- •Тепловий розрахунок на прикладі рекуперативного поверхневого теплообмінника
- •Лекція 18
- •Елементарний склад палив
- •Рекомендована література
- •Для нотаток
- •Для нотаток
- •Для нотаток
Лекція 15
Конвективний теплообмін. Основні поняття і визначення. Рівняння Ньютона-Ріхмана. Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією α. Диференційне рівняння теплообміну. Основи теорії подібності. Визначуваний і визначаючий критерій. Метод моделювання. Фізичний зміст основних критеріїв подібності. Тепловіддача при русі середовища. Розрахункові рівняння коефіцієнта тепловіддачі основних задач.
Конвективний теплообмін
Явище конвективного переносу теплоти спостерігається лише в рідинах і газах, коли теплота переноситься разом з масою рухомого середовища. Розрізняють вимушену конвекцію, коли збудником руху є насос, компресор, вільну—яка відбувається за рахунок руху підігрітого середовища в гору.
В інженерній практиці широко застосовують явище тепловіддачі, тобто конвективний обмін між рухомим середовищем і нерухомою стінкою. Тепловіддача конвекцією описується в загальному випадку рівнянням Ньютона-Ріхмана
,
де - кількість теплоти, що передається теплопровідністю, Дж;
- коефіцієнт тепловіддачі конвекцією Вт/(м²·К);
- середній температурний напір між нерухомою стінкою і середовищем, К;
- площа поверхні теплообміну, м2;
- час, с.
Для випадку стаціонарної тепловіддачі попереднє рівняння матиме вигляд
,
- тепловий потік, Вт;
- складна величина, на значення якої впливають найменші зміни наступних факторів: вимушена або вільна конвекція; фізичні властивості тіла і середовища; геометричні форми нерухомої стінки; напрямок руху середовища (кут атакі).
Враховують три режими руху середовища в середині каналу змінної форми або вздовж нерухомої стінки: турбулентний—коли інтенсивне переміщення сусідніх шарів середовища; ламінарний—коли не перемішуються сусідні шари рухомого середовища; перехідний—режим, коли мають місце елементи ламінарного і турбулентного режимів.
Диференційне рівняння конвективного теплообміну
Диференційне рівняння конвективного теплообміну основане на наступному припущенні: кількість теплоти (тепловий потік), що проходить теплопровідністю через стінку, дорівнює тепловому потоку, що проходить теплопровідністю через ламінарний шар або підшар , утворений омиваючим середовищем в безпосередній близькості від поверхні теплообміну і дорівнює тепловому потоку, що конвекцією від ламінарного шару передається загальному об’єму омиваючого середовища. Товщина ламінарного шару залежить від фізичних властивостей середовища (густини, в’язкості), а також шорсткості матеріалу поверхні і фізичних властивостей середовища, які в ламінарному шарі приймаються при температурі стінки поверхні.
Н а основі цього припущення для омиваючого середовища можна написати рівняння
,
де - коефіцієнт теплопровідності середовища в ламінарному шарі або підшарі при температурі стінки труби, Вт/(м·К); - градієнт температури направлений в бік її зростання (векторна величина) або нескінченно малий приріст температури по нормалі через ламінарний шар або підшар, К/м; - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від ламінарного шару до загального об’єму омиваючого середовища, Вт/(м²·К); - різниця температур між середньою температурою стінки і омиваючим середовищем.
Якщо ліву і праву частини рівняння одночасно розділити на ліву частину, то отримаємо основне критеріальне рівняння тепловіддачі, критерій або число Нуссельта
.
Критерій Нуссельта є основним або визначаємим в теорії теплообміну тому, що включає основну величину конвективного теплообміну . Усі інші критерії визначаючі (визначають критерій Нуссельта). В теорії теплообміну (тепловіддачі конвекцією) використовується приблизно 20 визначаючих критеріальних чисел, кількість яких може зростати для нової задачі. Вони називаються іменами вчених, які вперше їх запропонували—критерій Рейнольдса (Re); критерій Прандтля (Pr); критерій Граcгофа (Gr); критерій Архімеда (Ar) та ін.
Для того, щоб можна було використовувати дану конкретну задачу тепловіддачі конвекцією на подібних моделях її описують в критеріальному, безрозмірному вигляді
.
Наприклад, тепловіддача конвекцією від горизонтальної стінки труби до вільного омиваючого повітря описується залежністю або тепловіддача конвекцією від стінки вертикальної трубки до вільно омиваючого повітря описується рівнянням виду
,
де сталі числа.
Для того, щоб порахувати для конкретної фізичної задачі тепловіддачі конвекцією потрібно в літературі знайти в критеріальній формі залежність, яка описує цю задачу, порахувати визначаючі критерії, визначити визначуваний критерій Нуссельта і далі обчислити .