Передача тепла конвекцией

Интенсивность переноса тепла конвекцией зависит от степени турбулент­ности потока жидкости и перемешивания частиц внутри него. Следовательно, конвекция сильно зависит от гидродинамических условий течения потока жид­кости.

В центре (ядре) потока перенос тепла осуществляется одновременно теп­лопроводностью и конвекцией. Совместный перенос тепла этими способами называется конвективной теплоотдачей. Механизм переноса тепла в ядре пото­ка при его турбулентном движении характеризуется интенсивным перемешива­нием макрообъёмов среды, которое приводит к выравниванию температур до некоторого среднего значения t_ж. По мере приближения к стенке интенсив­ность теплоотдачи падает. Это объясняется тем, что вблизи нее образуется теп­ловой пограничный слой, подобный гидродинамическому пограничному слою, но обычно меньше его по толщине. В этом слое, по мере приближения к стенке, все большее значение приобретает теплопроводность, а влияние турбулентно­сти становится пренебрежимо мало (рис.8.1).

Рис.8.1. Схема конвективного теплообмена

Сложность механизма конвективного теплообмена обуславливает труд­ности расчета процесса теплоотдачи. Точное решение задачи о количестве теп­ла, передаваемого от стенки к среде, связано с необходимостью определения температурного градиента у стенки и профиля изменения температур теплоно­сителя вдоль поверхности теплообмена, что весьма затруднительно. При расчё­те процесса теплоотдачи используют уравнение Ньютона:

Q=αF (t_ст-t_ж),

где α - коэффициент теплоотдачи, который показывает какое количество тепла передается от 1 м² поверхности стенки к жидкости в течение 1 сек при разности температур между стенкой и жидкостью 1 град.

Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих факторов:

1. Скорости жидкости W, её плотности ρивязкостиμт.е. переменных, опреде­ляющих режим течения жидкости;

2. Тепловых свойств жидкости (удельной теплоемкостиС, теплопроводности , коэффициента объемного расширенияβ);

3. Геометрических параметров - форма и определяющие размеры стенки (для труб - их диаметр d и длина L, шероховатость ε).

Таким образом:

α =f (W,ρ,μ,С,β,d, L, ε).

Отсюда видно, что простота уравнения Ньютона только кажущаяся. Трудность заключается в расчете величины α. Кроме того, невозможно получить расчет­ное уравнение, пригодное для всех случаев теплоотдачи. Только путем обоб­щения опытных данных с помощью теории подобия можно получить обобщен­ные (критериальные) выражения для типовых случаев теплоотдачи, позволяю­щие рассчитать α для конкретных условий. Исходной зависимостью для этого является общий закон распределения температур в жидкости, выраженный дифференциальным уравнением конвективного теплообмена.

Основное уравнение теплопередачи

Основным уравнением теплопередачи является общая кинетическая зави­симость между тепловым потоком Q и поверхностью теплообмена F:

Q=K∙F∙∆t_ср (8.1)

где Q - тепловой поток от греющего агента к охлаждающему, проходящий в единицу времени через произвольную поверхность, Вт; К -коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость пере­дачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена; ∆t_ср- средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередачи или температур­ный напор, град.

Из уравнения (8.1) можно определить размерность и физический смысл ко­эффициента теплопередачиК:

[K]=[ ]= [ ]= [ ]

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла (в Дж) переходит за 1 сек от горячего к холодному теплоносителю через поверхность теп­лообмена 1 м² при средней разности температур между ними, равной 1 градус.

Рис.8.2. Схема передачи тепла через плоскую стенку

Температурный напор ∆t_cp не сохраняет своего постоянного значения, а изменяется вдоль поверхности теплообмена. Температуры теплоносителей из­меняются по сечению потока вследствие наличия поля температур и скоростей, а также вдоль проточной части теплообменника по мере охлаждения горячей среды и нагревания холодной. Процессы теплообмена в аппаратах непрерыв­ного действия могут осуществляться в прямотоке, противотоке, а так же при обогреве конденсирующимся паром. На рис.8.1 графически изображены измене­ния температур теплоносителей вдоль поверхности нагрева.

Рис.8.3. Схемы движения теплоносителей:

а) прямоток; б) противоток; в) при обогреве конденсирующимся паром

Для прямотока: ;

Для противотока: ;

при

при

Наиболее совершенной схемой является противоток, при котором ∆t_ср име­ет наивысшее значение из всех возможных способов теплопередачи при прочих равных условиях. При теплопередаче в противотоке нагреваемый компонент может быть нагрет до более высокой температуры, чем конечная температура нагревающего потока. Наименьшее значение при прочих равных условиях име­ет средняя разность температур при прямотоке.