Теоретическая часть. Теория теплообмена или теплопередача – это наука, изучающая процессы и законы

Теория теплообмена или теплопередача – это наука, изучающая процессы и законы передачи теплоты.

Передача теплоты представляет собой процесс обмена энергией между телами или системами тел. В связи с этим следует подчеркнуть, что теплота, как и работа, является лишь формой передачи энергии.

Передача теплоты осуществляется различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Эти способы часто называют формами передачи теплоты.

Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты при непосредственном соприкосновении тел или отдельных частиц тела, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

Под конвекцией понимают процесс передачи теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос энергии неразрывно связан с перемещением самой среды.

Тепловое излучение (лучистый теплообмен) – это процесс передачи энергии путем электромагнитных волн. При тепловом излучении происходит двойное превращение энергии – внутренняя энергия излучающего тела переходит в энергию электромагнитного излучения и обратно, лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит во внутреннюю.

В природе и технике элементарные процессы передачи теплоты – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – очень часто происходят совместно.

Конвективный теплообмен происходит при движении жидкости или газа, а передача теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Конвективный теплообмен между потоком среды и поверхностью соприкасающегося с ней тела называется конвективной теплоотдачей или теплоотдачей.

Конвективная теплоотдача может происходить при свободной и вынужденной конвекции. При свободной конвекции движение жидкости возникает вследствие неоднородного распределения плотности в рассматриваемом объеме при наличии поля земного тяготения. Вынужденная конвекция происходит под действием внешних сил, приложенных на границе контрольного объема среды, за счет работы насоса, компрессора, ветра и т.п.

Основным законом, описывающим процесс конвективной теплоотдачи, является закон Ньютона-Рихмана

. (1)

Согласно этому закону плотность теплового потока, передаваемого за счет конвективного теплообмена, у поверхности q_к прямо пропорциональна разности температур между поверхностью тела t_c и средой t_ж и значению коэффициента теплоотдачи a.

Коэффициент теплоотдачи определяет интенсивность конвективного теплообмена для конкретных условий протекания процесса и определяется как количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единицу площади поверхности теплообмена при разности температур между поверхностью тела t_c и средой t_ж, равной одному градусу (1 К или 1 ⁰С).

В соответствии с основным законом теплопроводности – законом Фурье и законом конвективного теплообмена – законом Ньютона-Рихмана теплообмен на границе между твердым телом и средой описывается граничными условиями III рода или дифференциальным уравнением теплоотдачи

, (2)

в котором правая часть выражает плотность теплового потока, передаваемого путем теплопроводности через слой среды (жидкости или газа), неподвижной относительно поверхности твердого тела.

Одной из основных задач теории конвективного теплообмена является количественное определение коэффициента теплоотдачи. Экспериментальному определению коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции было посвящено большое количество исследований, а опытные данные были обобщены и представлены в виде уравнений подобия [1]. Уравнение подобия конвективного теплообмена от горизонтальной трубы при свободной конвекции имеет следующий вид:

, (3)

где - число Нуссельта; - число Грасгофа;
- число Прандтля.

Число Нуссельта характеризует соотношение тепловых потоков, передаваемых за счет конвективного теплообмена и теплопроводности в пограничном слое.

Число Грасгофа характеризует соотношение между подъемной силой, возникающей вследствие разности плотностей неравномерно нагретой среды, и силой молекулярного трения.

Число Прандтля характеризует теплофизические свойства среды и их влияние на конвективный теплообмен.

В числа подобия конвективного теплообмена входят следующие величины: g – ускорение свободного падения, м/с²; β – коэффициент объемного расширения среды, К^-1;ν – кинематический коэффициент вязкости среды, м²/с; а – коэффициент температуропроводности среды, м²/с; m - динамический коэффициент вязкости среды, к г /(м×с) или Па×с, ; c_p – удельная массовая теплоемкость среды при постоянном давлении, Дж/(кг×К); r– плотность среды, кг/м³; l– коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м×К);
d – наружный диаметр трубы, м.

При расчете чисел подобия теплофизические свойства среды, окружающей горизонтальный цилиндр, определяются из справочных таблиц при средней температуре пограничного слоя

, ⁰С. (4)

Теплофизические свойства сухого воздуха при различных температурах представлены в табл. 1 [3].

В множителе (Pr/Pr_c) ^0,25, который входит в уравнение подобия конвективного теплообмена, Pr и Pr_c – числа Прандтля среды при средних температурах пограничного слоя t_m и наружной поверхности цилиндра t_c.

Введение множителя (Pr/Pr_c) ^0,25 в уравнение подобия конвективного теплообмена дает возможность использовать это уравнение при любом направлении теплового потока (от стенки к среде и наоборот) и учесть изменение теплофизических свойств среды в пограничном слое.

В случае если средой, окружающей горизонтальный цилиндр, является сухой воздух, то значение множителя (Pr/Pr_c) ^0,25 можно принять равным 1, т.к. значения числа Прандтля для сухого воздуха не меняется в широком диапазоне температур (табл. 1).

Таблица 1

Теплофизические свойства сухого воздуха

t, ^0С	Коэффициент теплопроводности λ×10^2, Вт/(м×К)	Кинематический коэффициент вязкости ν×10^6, м^2/с	Коэффициент объемного расширения β×10^3, К^-1	Pr
	2,51	14,66	3,53	0,71
	2,58	15,61	3,42	0,71
	2,65	16,58	3,30	0,71
	2,72	17,57	3,29	0,71
	2,79	18,58	3,17	0,71
	2,86	19,60	3,06	0,71
	2,92	20,65	2,94	0,71
	2,99	21,74	2,83	0,71
	3,08	22,82	2,72	0,71
	3,12	23,91	2,67	0,71
	3,24	26,21	2,58	0,71
	3,37	28,66	2,46	0,71
	3,49	31,01	2,35	0,71
	3,62	33,49	2,23	0,71
	3,74	36,03	2,11	0,71

Значения коэффициента С и показателя степени n в уравнении подобия конвективного теплообмена при свободной конвекции у горизонтального цилиндра зависят от комплекса (Gr×Pr) и могут быть определены из табл. 2 [3].

Таблица 2

Значения коэффициента С и показателя степени n в уравнении (3)

Дата добавления: 2015-07-15