Typer av konvektiv varmeveksling. Ligning og koeffisient av konvektiv varmeveksling (varmeoverføring)

Det er to typer konvektiv varmeveksling i samsvar med forskjellen av de krefter som forårsaker bevegelse (konveksjon) av væske.

Fluidbevegelsen forårsaket av trykkfallet (trykk) opprettet av en hvilken som helst ekstern bevegelse (pumpe, vifte, etc.), kalt tvunget konveksjon.

I volumet av fluid med et inhomogent temperaturfelt og dermed med et inhomogent tetthetsfelt (med økende temperatur, oppstår densiteten) løft (archimedan) av kraft - den større væsken stiger oppover. En slik bevegelse kalles naturlig konveksjonI dette tilfellet, gravitasjonell konvensjon. Naturlig konveksjon er også mulig under virkningen av andre massekrefter, som sentrifugal, etc. Men i praksis er gravitasjonskonveksjonen under virkningen av arkimede krefter fortrinnsvis.

Dermed er den konvektive varmeoverføringen delt inn i varmeveksling under tvungen konveksjon og varmeveksling med naturlig konveksjon.

I forholdene for varmeoverføring av kraft, forårsaker gravitasjonell naturlig konveksjon, er alltid tilstede. Modusene er mulige når bidraget av tvungen og naturlig konveksjon til varmeoverføringen vil være i forhold til. I dette tilfellet oppstår varmeveksling under blandet konveksjon.

I fig. 13.2 og 13.3. Ordninger av to karakteristiske saker vurderes. I fig. 13.2 viser skjemaet i prosessen når den strømmer rundt overflaten med en temperatur t C. Tvunget strøm med temperatur / f\u003e / s og hastighet

Fig. 13.2.

Fig. 13.3.

w. Siden temperaturen på veggen er mindre, termisk strømning q N. Rettet mot veggen. I fig. 13.3 viser den vertikale veggen med temperatur t c\u003e t g. I avstand fra veggen av medium stasjonær.

Flytende lag nær veggen er oppvarmet og under virkningen av fremvoksende archimedes stiger opp. Varmebølge q N. Rettet fra veggen til en væske som har en mindre temperatur. Hvis temperaturen på veggen er mindre enn temperaturen på væsken ( t C.

For å beregne varmefluxen av konvektiv varmeveksling ble en tilstrekkelig enkel formel foreslått, kalt ligning av konvektiv varmeveksling eller varmeoverføring :

hvor t C. og? F - henholdsvis temperaturen på veggoverflaten og væsken.

Det antas at den termiske strømmen av konvektiv varmeoverføring er proporsjonal med forskjellen i temperaturen på overflaten av veggen og væsken (temperaturen presumpture). Forholdet mellom proporsjonalitet og med dimensjonen av w / (m 2 k) er oppkalt konkurransen til konvektiv varmeveksling eller varmeoverføringskoeffisienten.

Ligningen i skjemaet (13,7) ble foreslått av I. Newton i 1701, og etter en tid kom G.V. til et tilsvarende resultat i studiet av varmeveksling Rik mann. Derfor ble denne avhengigheten oppkalt loven om konvektiv varmeveksling Newton Richmana.

Varmeoverføringskoeffisienten karakteriserer intensiteten av varmeoverføring i konvektiv varmeveksling og er numerisk lik tettheten av varmefluxen med temperaturforskjellen t C. - / f (Temperaturtrykk) 1 K.

Ligning (13,7) forenkler kun formelt beregningen av konvektiv varmeveksling. Kompleksiteten til beregningen ble overført til bestemmelsen av varmeoverføringskoeffisienten, siden det ikke er en fysisk egenskap av stoffet, og avhenger av mange prosessfaktorer. Basert på fysiske representasjoner, kan det sies at varmeoverføringskoeffisienten avhenger av de fysiske egenskapene til væsken (termisk konduktivitetskoeffisient X. Varmekapasitet fra, Tetthet p, dynamisk viskositetskoeffisient P, temperaturvolum forlengelseskoeffisient (3), fluidstrømningshastigheter vekt, Forskjeller på temperaturfluid og vegg t C. - / F, skjemaer og størrelser på overflaten av varmeoverføring, orientering av den i forhold til retningen av fluidstrømmen og tyngdekraften. Temperaturforskjellen og volumutvidelsens temperatur og koeffisient som er forhåndsdefinerte tetthetsforskjellene og verdien av løftestyrken som påvirker utviklingen av naturlig konveksjon.

Således avhenger varmeoverføringskoeffisienten av en rekke faktorens karakteristiske prosess, dvs. i hovedsak, er funksjonen til prosessen:

hvor L. - den karakteristiske størrelsen på varmevekslingsoverflaten; F - symboliserer avhengigheten av formen på varmeoverføringsoverflaten og dens orientering i forhold til retningen av fluidstrømmen eller i forhold til tyngdekraften.

For å bestemme operativsystemet, teorien om konvektiv varmeveksling og de tilsvarende beregningsmetoder, hvorav de viktigste bestemmelsene vurderes i ch. femten.

Innholdsdelen

Konseptet om konvektiv varmeveksling dekker varmevekslingsprosessen når væsken eller gassen beveger seg. Samtidig utføres varmeoverføring samtidig konveksjon og termisk ledningsevne. Konveksjonen er bare mulig i væsken, her er overføringen av varme uløselig knyttet til overføringen av mediet selv. Under termisk ledningsevne, i dette tilfellet, forstås prosessen med varmeoverføring i den direkte kontakt av individuelle partikler av mediet med forskjellige temperaturer.

Konvektisk varmeveksling mellom strømmen av væske eller gass og overflaten av det faste stoffet kalles konvektiv varmeoverføring. I ingeniørkalkulasjoner bestemmes varmeoverføring, mens den konvektive varmevekslingen inne i mediet er indirekte renter, siden varmeoverføring inne i mediet er kvantitativt beskyttet på varmeoverføringen.

Med praktiske beregninger bruker Newton-Richmana loven. I henhold til loven er varmenstrømmen - q på mediet til veggen eller fra veggen til mediet proporsjonal med varmeoverføringskoeffisientkonveksjonen - Á K, overflaten av varmeveksling - F og temperaturtrykk - Δt \u003d t med -t, dvs.

Q \u003d Á k (t s -t g) ⋅f, w (kcal / time),

hvor: t c - temperaturen på kroppsoverflaten; T f - Temperaturen på den omkringliggende kroppen av en væske eller gassformet medium.

Varmefluxen - Q fra oppvarmingsmediet til det oppvarmede medium gjennom overflaten som separerer overflaten (veggen) er proporsjonal med varmeoverføringskoeffisienten - K, overflaten av varmeveksling - F og temperaturrykket Δt, dvs.

Q \u003d ⋅⋅Δt⋅f, w (kcal / time).

Temperaturtrykk Δt I dette tilfellet er gjennomsnittstemperaturen på mediet som deltar i varmevekslingen er gjennomsnittlig gjennom hele varmeoverflaten. Med den faste varmevekslingsmodus for de direkte strømnings- og motstrømsordninger av media, bestemmes Δt av den mellomstyreforskjellen i temperaturen for oppvarming og oppvarmet media med formelen:

∆t. = ∆t B. - ∆t M. , Til (° С),

2,31g (δ. t B. / ∆t M.)

hvor: δ. t B. - forskjell på middels temperaturer på enden av varmeoverføringsoverflaten, hvor den er den største, til (° C); Δ. t M. - forskjellen i middels temperaturer i den andre enden av varmeoverføringsoverflaten, hvor den er den minste, til (° C); k er en proporsjonalitetskoeffisient kalt varmeoverføringskoeffisient, w / m 2 ⋅k) eller kcal / m 2 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

Den uttrykker mengden varme i watt eller kilokalorier, overført fra varmemediet for å oppvarmes etter 1 m 2 av seksjonsoverflatene i en time med en forskjell i temperaturforskjellen i 1 grad.

For en flat overflate og for rør med en ekstern diameter til det indre d N. ≤ 2 Behandlingskoeffisienten er bestemt av formelen:

ê \u003d 1, w / (m 2 k) eller kcal / m 2 ⋅ch⋅grad,

1 + S cm. + 1

á g. á á nag.

hvor en. g. - Termisk motstand av varmeoverføring fra varmemediet til overflaten av seksjonen i M2 ⋅K / W eller M2 ⋅Ch ⋅Grad / kcal (Á - koeffisienten av konvektiv varmeoverføring av messingmediet);

ë - termisk veggmotstand; S cm. - Veggtykkelse i M; Ë - Termisk ledningsevne av veggens materiale i w / mk) eller kcal / m⋅ch⋅grad;

á nag. - Termisk motstand av varmeoverføringen fra veggen til det oppvarmede mediet i M 2 K / W eller M 2 ⋅Ch ⋅Grad / kcal (Á nag. - Konkurransen til konvektiv varmeoverføring til det oppvarmede mediumet).

I termiske enheter (kjeler) ved oppvarming og kjølegasser (luft), varmeoverføringskoeffisient Á til Endringer i området 17-58 W / m 2 K (15-50 kcal / m 2 ⋅Ch ⋅grad). Når vannoppvarming og kjøling - i området 233-11630 W / m 2 K (200-10000 kcal / m 2 ⋅ch⋅grad).

Varmeoverføringskoeffisienten á. til kommer an på:

Arten av rikets strømmen bestemmes av Reynolds-kriteriet

Re \u003d wd \u003d ñ ⋅ w ⋅d;

Forholdene til indre termiske motstander til de eksterne termiske motstandene é, kalt kriteriet for neselt ë

Nu \u003d á. til d;

Fysiske egenskaper av mediet (flytende, gasser) preget av kriteriet for prandtl

PR \u003d Í C ñ \u003d Í.

Varmeoverføring under turbulent strømningsmodus

Med den turbulente strømmen av forskjellige gasser og væsker over lange rør og kanaler for å bestemme á til De mest brukte kriteriene ligningen ma Mikheeva:

(ved re ≥ 1000 og é ≥ 50): Nu \u003d 0,021RE 0,8 PR CP 0,43 (PR CP) 0,25,

hvor PR CP er verdiene av fremspringkriteriet ved gjennomsnittstemperaturen av gasser og væsker som er lik halvtemperaturen på strømningstemperaturen ved innløpet og utløpet av røret; PR ST-verdier av fremspringkriteriet ved gasser og væsker som er lik gjennomsnittlig veggtemperatur.

Varmeoverføringskoeffisienten á. til i korte rør eller kanaler (D< 50) имеет большие значения по сравнению с длинными трубами или каналами. Уравнение М.А. Михеева для течения по коротким трубам или каналам:

Nu \u003d 0,021RE 0,8 PR CP 0,43 (PR CP) 0,25 ⋅ φ

Verdiene φ er gitt i tabell. 7.20.

Tabell 7.20.Verdiene til korreksjonskoeffisienten φ

Re.	é Holdningd.
2	5	10	20	40	50
1⋅10 4 2⋅10 4 5⋅10 4 1⋅10 5 1⋅10 6	1,50 1,40 1,27 1,22 1,11	1,34 2,27 1,18 1,15 1,08	1,23 1,18 1,13 1,10 1,05	1,13 1,10 1,08 1,06 1,05	1,03 1,02 1,02 1,02 1,01	1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

For eksempel, for forbrenningsproduktene, er kriteriet PR CP 0,72, ligningen MA. Mikheeva tar skjemaet:

á til D wd.

For lange rør Nu ≅ 0,018RE 0,8 eller \u003d 0,018 () 0,8;

á til D wd.

For korte rør Nu ≅ 0,018RE 0,8 ⋅ φ eller \u003d 0,018 () 0,8 ⋅ φ.

Av disse ligningene er varmeoverføringskoeffisientene bestemt:

For lange rør og kanaler

á til \u003d 0,018 ⋅ ⋅, m / m 2 k, (kcal / m 2 timers HR).

For korte rør og kanaler

á til \u003d 0,018 ⋅ ⋅ ⋅ φ, m / m 2 k, (kcal / m 2 timers hr).

Koeffisient á. til Når oppvarmet ikke er lik á til Når kjølingsgasser. Når kjøling á. til Mer ~ 1,3 ganger enn når det er oppvarmet. Derfor bør varmeoverføringskoeffisienten ved konveksjon ved kvelningsgasser i turbulent strømningsmodus og med PRCF \u003d 0,72 bestemmes av formelen:

For lange rør á til \u003d 0,0235 ⋅ ⋅, m / m 2 k, (kcal / m 2 timers hagl).

For korte rør:

á til \u003d 0,0235 ⋅ ⋅ ⋅ φ, m / m 2 k (kcal / m 2 timers hagl).

Luftens fysiske egenskaper er vist i avsnitt 6.1. De fysiske egenskapene til røykgassene er vist i tabellen. 7.21. Verdiene av kriteriet for Prandtla for vann på metningslinjen er vist i avsnitt 6.2.

Tabell 7.21.Fysiske egenskaper av det røggassene i gjennomsnittet

Temperatur	Koeffisient termisk ledningsevneë Ons, kcal / m time ° C	Kinematisk viskositetsforholdí Jfr ⋅10 6, m 2 / s	Prandtl PR CRT-kriterier
1	2	3	4
0	0,0196	12,2	0,72
100	0,0269	21,5	0,69
200	0,0345	32,8	0,67
300	0,0416	45,8	0.65
400	0,0490	60,4	0,64
500	0,0564	76,3	0,63
1	2	3	4
600	0,0638	93,6	0,62
700	0,0711	112	0,61
800	0,0787	132	0,60
900	0,0861	152	0,59
1000	0,0937	174	0,58
1100	0,101	197	0,57
1200	0,108	221	0,56
1300	0,116	245	0,55
1400	0,124	272	0,54
1500	0,132	297	0,53
1600	0,14	323	0,52

Varmeoverføring under laminær nåværende kurs

Et omtrentlig estimat av gjennomsnittlig varmeoverføringskoeffisient bruker ofte kriteriene ligningen ma Mikheeva (for re ≤ 2200):

á til \u003d 0,15 ⋅ ⋅ ⋅ RE 0,33 ⋅ PR CP 0,33 (GR CP ⋅ PR CP) 0,1 ⋅ () 0,25 ⋅ φ,

i hvilken, i tillegg til tidligere presentert, innbefatter et annet kriterium - gr, kalt kriteriumet til Graolgof, karakteriserer fargekraften til gasser (tyngdekraften for væsker).

 ⋅ g ⋅ d 3 ⋅ Δt

hvor:  - Koeffisienten av volumutvidelse av væske eller gasser, for gasser  \u003d 273, 1 grader.

g er en akselerasjon av fri fall (akselerasjon av tyngdekraften), m / s 2;

d - den reduserte diameteren eller for vertikale vegger - veggen på veggen, m;

Δt - temperaturforskjellen mellom de oppvarmede veggene og mediet (T ST-T CP) eller (T CP - T ST);

Í - Kinematisk koeffisient, m 2 / s

φ - Koeffisient med hensyn til den relative lengden på rørene er like

Varmeoverføring med tvungen tverrgående vasking av rørbjelker

Varmeoverføringskoeffisientkonveksjonen i den tverrgående vasket korridorstrålen av rør (figur 7.10):

á til \u003d 0,206c z ⋅ med s ⋅ d Í 0,65 ⋅ pr 0,33, w / (m 2 k),

hvor: Med Z er en koeffisient som tar hensyn til antall rader av rør Z når det gjelder gasser i gasskanalen, på z<10 С z = 0,91+0,0125 (z-2), а при z>10 med z \u003d 1;

Med S-koeffisient, med tanke på det geometriske utformingen av strålen av rør, avhenger av langsgående s 2 og tverrgående s 1 trinn,

Med s \u003d 1+ 2S 1 - 3 1- S 2 3 -2

Ë - Koeffisient av termisk ledningsevne av gasser i gjennomsnittlig strømningstemperatur, w / (mk) eller kcal / m⋅ch⋅gr.;

d - den ytre diameteren av rør, m;

w er gjennomsnittlig hastighet av gasser, m / s;

Í - Koeffisienten av den kinematiske viskositeten av gasser ved en gjennomsnittlig strømningstemperatur, M 2 / s.

Varmeoverføringskoeffisientkonveksjonen i den tverrgående vasket bunke rør (figur 7.9.):

á til \u003d Med s ⋅ med z ⋅ d Í 0,6 ⋅ pr 0,33, w / (m 2 ⋅ k),

hvor: med s avhenger av S 1 og φ s;

φ s \u003d (s 1 / d - 1) (S '2 / D), S '2 - den gjennomsnittlige diagonale tonehøyde (figur 7.9.);

på 0,1.< ϕ s ≤ 1,7 и при S 1 /d ≥ 3,0 С s = 0,34 ⋅ ϕ s 0,1 ;

på 1,7.< ϕ s ≤ 4,5 и при S 1 /d < 3,0 С s = 0,275 ⋅ ϕ s 0,5 ;

Med z \u003d 4 på z< 10 и S 1 /d ≥ 3.

Varmeoverføring med tvungen langsgående vask av rørformede overflater av oppvarming

Varmeoverføringskoeffisientkonveksjon:

á til \u003d 0,023 D EQ Í 0,8 ⋅ PR 0,4 ⋅ C t ⋅ C d ⋅ C l, w / (m 2 ⋅k),

hvor: C t er en temperaturkoeffisient avhengig av temperaturen på mediet og veggene - for vann og damp, så vel som når kjølingsgasser med T \u003d 1,0, ved oppvarming av forbrenning og luftprodukter med T \u003d (T / T ST) 0,5 hvor t og t - temperaturen på gass, luft og vegger, i grader til;

C D er koeffisienten administrert under kurset i ringkanaler, med ensidig oppvarming av overflaten 0,85 ≤ c d ≤ 1,5, med dobbeltsidig med D \u003d 1;

Med L-koeffisient avhengig av lengden på kanalen; Med langsgående vaske rør 1 ≤ med L ≤ 2, med L\u003e 50D med L \u003d 1,0.

Private formler for å bestemme varmeoverføringskoeffisientene Konveksjon

For høy temperatur termiske enheter (på N.N. Dobrochotov):

á til \u003d 10.5w 0, w / m 2 k (eller á til \u003d 9W 0, kcal / m 2 timer hagl), hvor: W 0 er hastigheten til gassene i stasjonsområdet, referert til 0 ° C, dvs. Nm 3 / s.

For bevegelsen av røggasser (luft) på mursteinskanaler med dimensjoner fra 40 × 40 til 90 × 90 mm (i henhold til M. Mamykin):

W 0 0,8 4 W 0,8 4

á til \u003d 0,9 √ T, w / m 2 k (eller 0,74 √ T, kcal / m 2 timers hagl),

hvor: t er den absolutte temperaturen av gasser, ° K; D - den reduserte diameteren i M;

For fri luftbevegelse langs de vertikale flatene på veggene ved lave temperaturer (ifølge M. Mamykin):

á til \u003d 2,56 √ T 1 - T2, vekt / m 2 K (eller 2.2 √ T 1 - T 2, kcal / m 2 timers hagl), hvor:

(T 1 - T2) - forskjellen i temperaturen på veggene og gassens overflater. For den horisontale overflaten vendt opp, i stedet for koeffisienten på 2,56 (2,2), er 3,26 (2,8) tatt og for å skru ned 1,63 (1,4).

For dyser av regenerative varmevekslere (av M.S. Mamyakina):

á til \u003d 8,72, m / m 2 ⋅k (eller á til \u003d 7,5, kcal / m 2 ⋅ ⋅ ⋅⋅⋅grad).

Rolig vann - metallvegg (ved H. Khuvega):

á til \u003d 350 ÷ 580, m / m 2 ⋅k);

Nåværende vann - metallvegg (ved H. Khuvega):

á til \u003d 350 + 2100 √ W, w / (m 2 ⋅k), hvor W er hastigheten i m / s.

Luft er en jevn overflate (av H. Khuvega):

á til \u003d 5,6 + 4W, m / m 2 ⋅k), hvor W er hastigheten i m / s.

I fig. 7.17.-7.22. Nomogramene for å bestemme á til Grafisk metode.

Fig. 7.17. Varmeoverføringskoeffisientkonveksjonen med tverrgående vasking av korridor-glattrørbjelker, αk \u003d cz⋅cf⋅αn, w / m2⋅k (RH2O - volumfraksjon av vanndamp)

Fig. 7.18. Varmeoverføringskoeffisientkonveksjonen med tverrgående vasking av sjakk glatt-rørbjelker, αk \u003d cz⋅cf⋅αn, w / m2⋅k (kcal / m2⋅ch⋅grad), (RH2O - Bulk Andrag av vanndamp)

Fig. 7.19. Koeffisient av varmeoverføring Konveksjon med langsgående vasking av glatte rør med luft og røykgasser

Fig. 7.20. Varmeoverføringskoeffisientkonveksjonen med langsgående vasking av glatte rør av ikke-datablad, a \u003d C ⋅ α, w / m2 ⋅k (kcal / m2 ⋅ч

Fig. 7.21. Varmeoverføringskoeffisientkonveksjon for lamellar luftvarmere for re< 10000, αк = Cф⋅ αн, Вт/м2⋅К (ккал/м2⋅ч⋅град)

Fig. 7.22. Varmeoverføringskoeffisientkonveksjon for regenerative luftvarmere for re ≤ 5200, αk \u003d cf⋅ αn, w / m2⋅k (kcal / m2⋅ch⋅grad)

Side 1.

De konvektive varmevekslingskoeffisientene i dette tilfellet er ca. 10 kcal / m2 h. Det ble funnet at koeffisientene til strålende varmeveksling ved temperaturer som tilsvarer omtrentlig temperaturen i atmosfæren, det er ca. 2 kcal / m2-h-hagl. Dette betyr at i slike forhold er det ingen nøyaktig måling av et konvensjonelt termometer.

Konkurransen av konvektiv varmeveksling A er funksjonen til de termofysiske egenskapene, temperaturen og hastigheten til kjølevæsken, samt konfigurasjonen og størrelsen på varmevekslingsoverflaten.

Den konvekte varmeoverføringskoeffisientene til de indre overflatene på SGR og Windows: P 3 og PR 4 KCAL / M1 timers rutenett.

De konvektive varmevekslingskoeffisientene mellom gasser og rør i varmevekslere eller en dyse i regeneratorer bestemmes av formlene som er gitt i referansebøker og spesielle retningslinjer. Raden er gitt i de relevante delene av denne boken. I alle tilfeller, for å øke intensiteten av konvektiv varmeveksling, er det nødvendig å streve for den største uniform av spyling av alle varmeflatene på gassene, redusere til de optimale dimensjonene i tverrsnittet av kanalene som er dannet av materialet I laget gjennom hvilken kjølevæsken strømmer, øker strømningshastigheten til verdiene som er begrunnet av de tekniske og økonomiske beregningene.

Konkurransen av konvektiv varmeveksling i luftlaget (utenfor) er signifikant mindre enn i et lag med vann eller damp (inne i anordningen), slik at motstanden mot den ytre varmeveksling RH for varmeanordningen er relativt stor. Følgelig, for å øke varmefluxen, er det nødvendig å utvikle den ytre overflaten av varmeanordningen. I instrumentene utføres dette ved å skape spesielle fremspring, tidevann og finner. Imidlertid reduseres varmeoverføringskoeffisienten.

Konkurransen til konvektiv varmeveksling mellom mediet og plasseres i det med kroppen i samme hastighet for bevegelse for væsker mange ganger mer enn for gasser. Væsker er ugjennomsiktig for termiske stråler, gasser er gjennomsiktige. Derfor, når man måler temperaturen på gassene, er det nødvendig å regne med effekten på temperaturen på den strålende varmevekslingsmåleren mellom overflaten av måleren og rørets vegger.

De konvektive varmevekslingskoeffisientene mellom dysen og varmgassen eller luften bestemmes fra eksperimentelle data.

Den konvekte varmeoverføringskoeffisienten av AK er sterkt avhengig av diameteren av fiberen og den relative hastigheten til mediet på grunn av en kraftig forandring i tykkelsen av det laminære grenselaget som kan sammenlignes med fiberdiameteren.

De konvektive varmevekslingskoeffisientene til dysen og varme gasser eller luft bestemmes av eksperimentelle data.

Konkurransen til konvektiv varmeveksling av veggene i rommet med luften i den er 116 W / m2 hagl.

Følgelig avhenger den konvektive varmeoverføringskoeffisienten av varmeforsyningsmetoden, og med komplisert varmeveksling (konveksjon og stråling), er det betydelig høyere sammenlignet med konvektiv varmeveksling, hvor alle andre ting er likeverdige.

De gjennomsnittlige verdiene til den konvekte varmevekslingskoeffisienten på de vertikale overflatene på gjerdet i rommet uten en bestemt feil kan bestemmes med formel (1,64), siden temperaturforskjellene og de geometriske størrelsene på oppvarmede og avkjølte overflater som har a Sted i virkeligheten tilsvarer vanligvis hovedsakelig turbulent modus. Alle de vurderte formlene, inkludert (1.64), er skrevet for en vertikal fritt plassert overflate.

For å bestemme den konvektive varmevekslingskoeffisienten, brukes kriterier som ligner. Disse ligningene er gitt i tabell av disse ligningene. 5 for tvungen og fri konveksjon. De relaterer seg til bevegelsesvilkårene på overflaten av platen. De er preget av en-varmeapparat og ensartethet, i ett ord, rekkefølgen av bevegelse.

Gjennomsnittlig verdi av den konvektive varmevekslingskoeffisienten til SC, (noen ganger betegner OC) i området fra 0 til en vilkårlig seksjon / kan bestemmes på grunnlag av mediumet integrert teorem.

Ifølge den konvekte varmeoverføringsligningen, også kalt Newton Richmann, er termisk strømning direkte proporsjonal med forskjellen i temperaturen på veggen og væsken og overflaten av varmeveksling. Proportionalitetskoeffisienten i denne ligningen kalles gjennomsnittlig konvektiv varmeoverføringskoeffisient:

, (1)

hvor Q er en varmeflyt, w; Q \u003d q / f er overflatens tetthet av varmen flux, w / m 2; - Gjennomsnittlig koeffisient av konvektiv varmeoverføring, w / m 2 ∙ k); - Temperaturtrykk varmeoverføring, o c; - temperatur på varmevekslingsoverflaten (vegger), o c; - væsketemperatur vekk fra veggen, o c; F er overflaten av varmeveksling (vegger), m 2.

Uavhengig av retningen av varmefluxen (fra veggen til væsken eller omvendt), vil vi vurdere det positivt, det vil si at vi vil bruke temperaturforskjellmodulen.

Størrelsen på varmeoverføringskoeffisienten avhenger av et stort antall forskjellige faktorer: a) de fysiske egenskapene til væsken; b) hastigheten på væskebevegelsen; c) former, størrelser og orientering i overflaten av varmevekslingsoverflaten; d) størrelsesorden av temperaturtrykk, instruksjonene for varmeveksling, etc. Derfor er den teoretiske definisjonen i de fleste tilfeller.

Uttrykk (1) - (3) tillater eksperimentelle midler å bestemme gjennomsnittlig varmeoverføringskoeffisient ved å måle mengdene Q, F, og:

, (4)

det vil si at den gjennomsnittlige varmeoverføringskoeffisienten er numerisk lik den termiske strømmen som overføres gjennom enheten av varmevekslingsoverflaten under et enkelt temperaturtrykk (1 O C eller 1 K).

3. Lokal (lokal) koeffisient av konvektiv varmeoverføring

Den gjennomsnittlige varmeoverføringskoeffisienten er en viktig, men ikke alltid tilstrekkelig karakteristisk for varmevekslingsprosesser. I mange tilfeller er verdiene for varmeoverføringskoeffisientene i visse punkter i varmevekslingsoverflaten påkrevd, det vil si lokale (lokale) verdier. Lokale koeffisienter karakteriserer varmeoverføringen i nærheten av et gitt punkt (X) og er en del av den lokale varmeoverføringsligningen:

eller , (6)

hvor DF er den elementære (uendelig liten) overflaten av varmevekslingen i nærheten av punktet x, m 2; - Elementær varmeflyt, W; - Lokal tetthet av termisk flux, w / m 2; - lokal koeffisient av konvektiv varmeoverføring, m / m 2 ∙ k); - Lokal temperaturhode, O C; - lokal overflatetemperatur (vegger), o c; - Temperaturen på væsken vekk fra veggen (vi antar at den er konstant langs hele overflaten av varmevekslingen), o C.

Fra uttrykk (5) og (6) følger det at lokale varmeoverføringskoeffisienter i prinsippet kan bli funnet ved å eksperimentelt ved måling av verdier, DF og relatert til det tilsvarende uendelig lille området:

. (7)

I praksis, langs overflaten, det nødvendige antallet endelige, men tilstrekkelig små steder, og måler målingene for hver I-th overflate av overflaten:

, (8)

hvor - gjennomsnittet for I-th-stedet verdien av varmeoverføringskoeffisienten, m / m 2 ∙ k); - overflateareal av I-th-delen, M 2; - Termisk strømning i I-th-stedet, W; - Gjennomsnitt for I-th-delen verdien av overflatetemperaturen; - Gjennomsnittlig tetthet av varmen fluxen i I-th-stedet, W / M 2; i \u003d 1,2, ..., n - nummer på neste side; N - antall områder.

I varmeoverføringen på den vertikale overflaten identifiseres N det samme i høyden på tomtene (se figur 4). Hvis du måler overflatetemperaturen ved grensene til de valgte seksjonene, starter den nederste temperaturen for I-th-delen, bestemmes den gjennomsnittlige temperaturen for I-th-delen av formelen

. (9)

Gjennomsnittet for det lille I-th-stedet Verdien av varmeoverføringskoeffisienten (8) er den omtrentlige verdien av den lokale varmeoverføringskoeffisienten (7). Jo mindre størrelsen på nettstedet, jo mer nøyaktig resultatet.

Resultatene av et stort antall eksperimenter på definisjonen av varmeoverføringskoeffisienter (8) er generalisert i form av empiriske (eksperimentelle) kriteriumsligninger (se Parad.5). I fremtiden brukes disse ligningene i ingeniørberegninger for å bestemme varmeoverføringskoeffisientene.

4. Endringenes natur i den lokale varmeoverføringskoeffisienten

Lokal varmeoverføring ligning (5) - (6) kan skrives i følgende skjema:

, (10)

hvor er den lokale termiske motstanden til varmeoverføring, m 2 ∙ k / W.

Således under varmeoverføring er den lokale overflatesensiteten av varmefluxen () direkte proporsjonal med det lokale temperaturrykket og omvendt proporsjonal med den lokale termiske motstanden til varmeoverføringen.

Nesten all termisk motstand av varmeoverføring fokuserer nær veggoverflaten i det termiske grenselaget, mens den lokale termiske motstanden er proporsjonal med lokal tykkelse på dette laget.

Med varmeoverføring under frie konveksjonsbetingelser nær den oppvarmede vertikale overflaten (figur 2) dannes grenselaget langs overflaten langs strømmen. Tykkelsen på laget øker fra bunnen opp, og i en tilstrekkelig høyde på overflaten blir det i utgangspunktet omgående laminære grenselag gradvis omdannet til turbulent.

På laminærfeltet (lagdelt) strømmer den lokale varmeoverføringskoeffisienten i overflatenes høyde på grunn av en økning i tykkelsen av grenselaget og følgelig på grunn av økningen i den lokale termiske motstanden (se fig. 2).

I overgangsregionen observeres en økning i varmeoverføringskoeffisienten til tross for økningen i tykkelsen på grenselaget. Dette skyldes den ekstra konvektive varmeoverføringen av varmen som er dannet av vorten.

På området utviklet turbulent strømmen fortsetter tykkelsen av grenselaget å vokse, men vortex-konvektivoverføringen av varme øker i samme grad, derfor forblir den termiske motstanden og varmeoverføringskoeffisienten konstant, det vil si at de slutter å forandre seg i overflatenes høyde (se figur 2).

Fig.2. Border lag og lokal varmeoverføring:

1 - vegg (varmeveksling overflate); 2 - hydrodynamisk grenselag; 3 - hydrodynamisk "kjerne av flyt"

5. Beregning av lokal varmeoverføringskoeffisient

ved hjelp av kriteriumsligninger

Med fri konveksjon kan den lokale varmeoverføringskoeffisienten på den vertikale overflaten beregnes av kriteriene empiriske formler av følgende form:

, (11)

hvor C, N og 0,25 er empiriske (bestemt fra erfaring) permanent; - Lokalt antall neselt; - Lokalt relé; PR, - Prandtl-tall, tatt i avgjørende temperatur og ved henholdsvis veggtemperatur. For detaljer, se avsnitt. 6.

Verdiene av empiriske konstanter (tabell 1) avhenger av modusen for væskefri bevegelse. Modusen for fri bevegelse på dette punktet x overflate av varmevekslingen bestemmes av det lokale nummeret på reléet på dette punktet.

Tabell 1. Verdier av empirisk konstant

For gasser er inhibitoren nær en, siden på grunn av den svake avhengigheten av antall punkter av gasser på temperatur, derfor for gassformel (11) tar en enklere form:

Beregning av det lokale antallet NUSSTT, bestem den lokale varmeoverføringskoeffisienten i den (se avsnitt 6).

Tall (kriterier) likhet

Hvert kriterium likhet er størrelse fri Komplekset (kombinasjon) sammensatt av de fysiske mengdene som påvirker prosessen: den bestemmende temperaturen (temperaturforskjellen), som bestemmer hastigheten (med tvungen konveksjon), som bestemmer størrelsen og de fysiske egenskapene til væsken. Som et resultat karakteriserer hver kriterium likhet et visst forhold mellom fysiske effekter som er karakteristisk for fenomenet under vurdering.

En av kriteriene for likhet i ligningen er definert (ønsket), alle andre er definere Kriterier, det vil si, de spiller rollen som uavhengige variabler som påvirker varmeoverføringen.

Ta i betraktning lokal Tall (kriterier) likhet.

NASSELT NUMBER: , (12)

hvor er den lokale koeffisienten av konvektiv varmeoverføring, m / m 2 ∙ k); X - Koordinere der den lokale varmeoverføringskoeffisienten, M (se avsnitt 7) søkt - Koeffisienten til termisk ledningsevne av væsken, m / m ∙ k).

Dette er et lignende likhetskriterium, siden sammensetningen omfatter den ønskede varmeoverføringskoeffisienten. Antallet NUSSTT kan betraktes som en relativ varmeoverføringskoeffisient: , hvor - omfanget av tildeling, med samme dimensjon som varmeoverføringsforholdet. Det vil si at antallet NUSSTT karakteriserer intensiteten av varmeoverføring eller, mer presist, forholdet mellom intensiteten av væskeoverførings- og termisk ledningsevne. Hvis antall neselt er funnet, for eksempel med (11) eller (11 a), så

Dette er det viktigste definerende kriteriet for likhet. Ifølge den numeriske verdien er modusen for fri væskebevegelse bestemt: laminær, overgang, turbulent. Forskjellige bevegelsesmoduser samsvarer med en annen fysisk mekanisme for varmeoverføring, som uttrykkes i forskjellige verdier av empirisk konstant C og n. I ligninger av type (11) og (11a) (se også seksjon. 9).

Antallet reléer kan betraktes som forholdet mellom løftekraften til det termiske grenselaget til kraften på friksjon forårsaket av viskositet.

Antall gramsgof: , (16)

hvor G er akselerasjon av tyngdekraften, m / s 2; - termisk koeffisient av volumfluidutvidelse, 1 / k; - Lokalt temperaturtrykk, o C (- lokal overflatetemperatur (vegger), o c; - væsketemperatur vekk fra veggen, o c). Denne siden bryter med opphavsrett

Ifølge den konvekte varmeoverføringsligningen, også kalt Newton Richmann, er termisk strømning direkte proporsjonal med forskjellen i temperaturen på veggen og væsken og overflaten av varmeveksling. Proportionalitetskoeffisienten i denne ligningen kalles gjennomsnittlig konvektiv varmeoverføringskoeffisient:

, (1)

eller
, (2)

eller
, (3)

hvor Q er en varmeflyt, w; Q \u003d q / f er overflatens tetthet av varmen flux, w / m 2; - Gjennomsnittlig koeffisient av konvektiv varmeoverføring, w / m 2 ∙ k);
- Temperaturtrykk varmeoverføring, o c; - temperatur på varmevekslingsoverflaten (vegger), o c; - væsketemperatur vekk fra veggen, o c; F er overflaten av varmeveksling (vegger), m 2.

Uavhengig av retningen av varmefluxen (fra veggen til væsken eller omvendt), vil vi vurdere det positivt, det vil si at vi vil bruke temperaturforskjellmodulen.

Størrelsen på varmeoverføringskoeffisienten avhenger av et stort antall forskjellige faktorer: a) de fysiske egenskapene til væsken; b) hastigheten på væskebevegelsen; c) former, størrelser og orientering i overflaten av varmevekslingsoverflaten; d) størrelsesorden av temperaturtrykk, instruksjonene for varmeveksling, etc. Derfor er den teoretiske definisjonen i de fleste tilfeller.

Uttrykk (1) - (3) tillater empirisk å bestemme gjennomsnittlig varmeoverføringskoeffisient ved å måle mengdene Q, F, og
:

, (4)

det vil si at den gjennomsnittlige varmeoverføringskoeffisienten er numerisk lik den termiske strømmen som overføres gjennom enheten av varmevekslingsoverflaten under et enkelt temperaturtrykk (1 O C eller 1 K).

3. Lokal (lokal) koeffisient av konvektiv varmeoverføring

Den gjennomsnittlige varmeoverføringskoeffisienten er en viktig, men ikke alltid tilstrekkelig karakteristisk for varmevekslingsprosesser. I mange tilfeller er verdiene for varmeoverføringskoeffisientene i visse punkter i varmevekslingsoverflaten påkrevd, det vil si lokale (lokale) verdier. Lokale koeffisienter karakteriserer varmeoverføringen i nærheten av et gitt punkt (X) og er en del av den lokale varmeoverføringsligningen:

, (5)

eller
, (6)

hvor DF er den elementære (uendelig liten) overflaten av varmevekslingen i nærheten av punktet x, m 2;
- Elementær varmeflyt, W;
- Lokal tetthet av termisk flux, w / m 2;
- lokal koeffisient av konvektiv varmeoverføring, m / m 2 ∙ k);
- Lokal temperaturhode, O C; - lokal overflatetemperatur (vegger), o c;
- Temperaturen på væsken vekk fra veggen (vi antar at den er konstant langs hele overflaten av varmevekslingen), o C.

Fra uttrykk (5) og (6) følger det at lokale varmeoverføringskoeffisienter i prinsippet kan bli funnet eksperimentelt ved måling av verdier
, df, og
tilhører det tilsvarende uendelig lille området:

. (7)

I praksis, langs overflaten, det nødvendige antallet endelige, men tilstrekkelig små steder, og måler målingene for hver I-th overflate av overflaten:

, (8)

hvor - Gjennomsnitt for I-tden Verdien av varmeoverføringskoeffisienten, w / m 2 ∙ k);
- overflateareal av I-th-delen, M 2;
- Termisk strømning i I-th-stedet, W;
- Gjennomsnitt for I-th-delen verdien av overflatetemperaturen;
- Gjennomsnittlig tetthet av varmen fluxen i I-th-stedet, W / M 2; i \u003d 1,2, ..., n - nummer på neste side; N - antall områder.

I varmeoverføringen på den vertikale overflaten identifiseres N det samme i høyden på tomtene (se figur 4). Hvis du måler overflatetemperaturen ved grensene til de valgte seksjonene, starter den nederste temperaturen for I-th-delen, bestemmes den gjennomsnittlige temperaturen for I-th-delen av formelen

. (9)

Gjennomsnittet for det lille I-th-stedet Verdien av varmeoverføringskoeffisienten (8) er den omtrentlige verdien av den lokale varmeoverføringskoeffisienten (7). Jo mindre størrelsen på nettstedet, jo mer nøyaktig resultatet.

Resultatene av et stort antall eksperimenter på definisjonen av varmeoverføringskoeffisienter (8) er generalisert i form av empiriske (eksperimentelle) kriteriumsligninger (se Parad.5). I fremtiden brukes disse ligningene i ingeniørberegninger for å bestemme varmeoverføringskoeffisientene.