Реферат: Конвективний теплообмiн
СОДЕРЖАНИЕ
1. КОНВЕКТИВНИЙ ТЕПЛООБМІН
2. ТЕПЛООБМІН ВИПРОМІНЮВАННЯМ
ЛІТЕРАТУРА
Дата добавления на сайт: 27 апреля 2025
Реферат
Содержание
1. Конвективний теплообмін
2. Теплообмін випромінюванням
Література
1. Конвективний теплообмін
Конвекцією називається перенос теплоти при переміщенні і перемішуванні всієї маси нерівномірно нагрітих рідини чи газу. При цьому, перенос теплоти залежить від швидкості руху рідини чи газу прямо пропорційно. Цей вид передачі теплоти супроводжується завжди теплопровідністю, яка має місце, наприклад, в граничному ламінарному шарі товщиною



Рис.1.1 Схема динамічного граничного шару.
Одночасний перенос теплоти конвекцією і теплопровідністю називається конвективним теплообміном. В інженерних розрахунках часто визначають конвективний теплообмін між потоками рідини чи газу і поверхнею твердого тіла. Цей процес конвективного теплообміну називають конвективною тепловіддачею або просто тепловіддачею.
Диференціальні рівняння конвекції. Процес конвективного теплообміну між поверхнею тіла і середовищем (рідиною або газом) описується законом Ньютона-Ріхмана або диференціальним рівнянням тепловіддачі, згідно з яким, кількість теплоти, переданої від рухомого середовища до поверхні твердого тіла і навпаки прямо пропорційна різниці температур поверхні тіла і середовища:

де




Цю ж теплоту можна визначити за законом Фур’є як теплоту, що проходить через ламінарний шар чи підшар теплопровідністю:

Густина теплового потоку за законом Ньютона-Ріхмана:

Перенос тепла в рухомому середовищі описується диференціальним рівнянням конфекції (рівнянням Фур’є-Кірхгофа):

де



Рух середовища в процесі конвективного теплообміну описується рівнянням руху в’язкої рідини (Нав’є - Стокса), проекція якого на вісь



де







Наведені рівняння разом з умовами однозначності дозволяють аналітично досліджувати задачі конвективного теплообміну в будь-якому конкретному випадку. Рішення цих диференціальних рівнянь складна і трудомістка задача, і вона можлива при обмежених простих випадків. Тому при дослідженні конвективного теплообміну застосовують метод теорії подібності.
Основи теорії подібності. Теорія подібності - це наука про подібні явища. Явища подібні, якщо вони мають подібні умови однозначності і чисельно однакові визначальні критерії подібності.
Подібними явищами називаються такі фізичні явища, що однакові якісно за формою і змістом, тобто мають одну фізичну природу, розвиваються під дією однакових сил і описуються однаковими за формою диференціальними рівняннями і крайовими умовами.
Обов'язковою умовою подібності фізичних явищ повинна бути геометрична подібність систем, де ці явища протікають. Два фізичних явища будуть подібні лише в тому випадку, якщо будуть подібні усі величини, що характеризують їх. Для всіх подібних систем існують безрозмірні комплекси величин, що називаються критеріями подібності.
Основні положення теорії подібності формулюють у вигляді 3-х теорем.
теорема: Подібні явища мають однакові критерії подібності.
теорема: Будь-яка залежність між змінними, що характеризує будь-які явища, може бути представлена, у формі залежності між критеріями подібності, складеними з цих змінних, котра буде називатися критериальным рівнянням.
теорема: Два явища подібні, якщо вони мають подібні умови однозначності і чисельно однакові визначальні критерії подібності.
Умовами однозначності є:
·наявність геометричної подібності систем;
·наявність однакових диференціальних рівнянь;
·існування єдиного рішення рівняння при заданих граничних умовах;
·відомі чисельні значення коефіцієнтів і фізичних параметрів.
За допомогою теорії подібності визначається коефіцієнт тепловіддачі, який є функцією багатьох параметрів:
α = f1 (Х; Ф; lo; xc; yc; zc; Wo; Δt; λ; а; ср; ρ; ν; β), (1.7)
де: Х - характер руху середовища (вільний, примусовий);
Ф - форма поверхні;
lo - характерний розмір поверхні (довжина, висота, діаметр і т.д.);
xc; yc; zc - координати;
Wo - швидкість середовища (рідина, газ);
Δt = (t'ст - t'с) - температурний напір;
λ - коефіцієнт теплопровідності середовища;
а - коефіцієнт температуропровідності середовища;
ср - ізобарна питома теплоємність середовища;
ρ - густина середовища;
ν= μ /r - коефіцієнт кінематичної в'язкості середовища; (μ - коефіцієнт динамічної в'язкості; r - густина середовища);
β - температурний коефіцієнт об'ємного розширення середовища.
Безрозмірний коефіцієнт тепловіддачі, згідно з теорією подоби, розраховується за допомогою критеріального рівняння, яке складається основі експериментальних досліджень для кожного конкретного виду конвективного теплообміну:
= f2 (Х; Ф; X0; Y0; Z0; Re; Gr; Pr), (1.1)
де: X0; Y0; Z0 - безрозмірні координати;
Nu = α·l0/λ - критерій Нуссельта (безрозмірний коефіцієнт тепловіддачі), характеризує теплообмін між поверхнею стінки і рідиною (газом);
Re = W·l0/ν - критерій Рейнольдса, характеризує співвідношення сил інерції і в'язкості і визначає характер течії рідини (газу);
Gr = (β·g·l03·Δt) /ν2 - критерій Грасгофа, характеризує подйомну силу, що виникає в рідині (газі) унаслідок різниці густин;
Pr = ν/а = (μ·cp) /λ - критерій Прандтля, характеризує фізичні властивості рідини (газу).
Після визначення критерію Нуссельта розраховується величина коефіцієнта тепловіддачі:

Для розрахунку безрозмірного коефіцієнта тепловіддачі використовуються основні розрахункові формули конвективного теплообміну, що дані для середніх значень коефіцієнтів тепловіддачі по поверхні стінки.
Вільна конвекція. В необмеженому просторі (рис.1.2 а):
а). Горизонтальна труба діаметром d при 103 102:
= 0,15· (Gr·Pr) 0,33 · (Prс/Prст) 0,25. (1.11)

а) б)
Рис.1.2 Зміна

Тут значення Gr, Pr і Prс беруться при температурі рідини (газу), а Prст при температурі поверхні стінки. Визначальна температура - температура середовища; визначальний лінійний розмір для горизонтальних труб - діаметр, вертикальних поверхонь - висота
в). Горизонтальна пластина: розрахункове значення Nu збільшується на 30%, якщо нагріта поверхня зорієнтована вверх і на 30% зменшується, якщо нагріта поверхня зорієнтована вниз. Визначальний розмір - менша сторона пластини. Для повітря Prс/Prст = 1 і наведені формули спрощуються. В обмеженому просторі (рис.1.2 б) середня густина теплового потоку розраховується за формулами теплопровідності із заміною коефіцієнта теплопровідності






Визначальний розмір - ширина каналу, визначальна температура - середня температура середовища. Густина теплового потоку:

Примусова конвекція.
Режим течії (рис.1.3) визначається по величині Re.

а) б)
Рис.1.3 Схеми ламінарної (а) і турбулентної (б) течії рідини в трубах.
а). Течія рідини в гладких трубах круглого перетину.
). ламінарна течія (рис.3. а) - Re l/d
). перехідний режим - 2100 Re? 104
). турбулентна течія (рис.1.3 б) - Re = 104
= 0,021· Re0,1·Pr0,43· (Prс/Prст) 0,25·εl. (1.15)
Значення коефіцієнта εl представлені в таблиці 1.3.
Таблиця 1.3.
Значення εl при турбулентному режимі.
l/d | εl | ||
Re = 2·103 | Re = 2·104 | Re = 2·105 | |
1 | 1,2 | 1,51 | 1,21 |
2 | 1,70 | 1,40 | 1,22 |
5 | 1,44 | 1,27 | 1,15 |
10 | 1,21 | 1,11 | 1,10 |
15 | 1,11 | 1,13 | 1,01 |
20 | 1,13 | 1,11 | 1,06 |
30 | 1,05 | 1,05 | 1,03 |
40 | 1,02 | 1,02 | 1,02 |
50 | 1,00 | 1,00 | 1,00 |
б). Обтікання горизонтальної поверхні.
). ламінарна течія - Re 4·104
= 0,037·Re0,5·Pr0,33 · (Prс/Prст) 0,25. (1.17)
Теплообмін при поперечному обтіканні.
а). Пучки труб (рис.1.4) (кут атаки j = 200). Використовуються два види розташування труб в пучках:
коридорне (рис.1.4 а) і шахового (рис.1.4 б).

а) б)
Рис.1.4 Схеми розташування труб в пучках.
Середній коефіцієнт тепловіддачі при


Для шахового пучка











Коефіцієнт, який враховує номер ряду для першого ряду





де





б). Поперечне обтікання одиночної труби.
). при Re = 5 - 103
= 0,57·Re0,5·Pr0,31 · (Prс/Prст) 0,25. (1.20)
). при Re = 103 - 2·105
Nu = 0,25 Re0,6·Pr0,31 · (Prс/Prст) 0,25. (1.21)
Теплообмін при кипінні. При бульбашковому кипінні (т. А-т. К на рис.1.5) теплообмін описується рівнянням:

де








конвективний теплообмін конвекція подібність
Для води в т. А (рис.1.5)






Добуток






де



Рис. 1.5 Характер зміни


На рис. 1.5 (лівіше т. А має місце вільна конвекція; в інтервалі т. А - т. К - бульбашкове кипіння; в інтервалі т. К - т. В - неусталене плівкове кипіння; правіше т. В усталене плівкове кипіння).
Для розрахунку теплообміну при одночасному впливі швидкості примусового руху рідини і кипіння використовується емпірична залежність:

де



Теплообмін при конденсації. При конденсації насищеної пари і ламінарній течії плівки конденсату (рис.1.6) за нехтування конвективним переносом теплоти в ній густина теплового потоку:


де




Рис. 1.6. Схема плівкової конденсації
Для визначення середнього значення


де




Фізичні параметри плівки конденсату











Визначальний для вертикальних стінки чи труби визначальний розмір - їх висота, для горизонтальних - менший розмір пластини і діаметр труби.
2. Теплообмін випромінюванням
Теплове випромінювання являє собою процес поширення в просторі внутрішньої енергії випромінюючого тіла за допомогою електромагнітних хвиль. При розв’язанні задач застосовують поняття: потік випромінювання





Якщо величина


Випромінювання однієї довжини хвилі чи в діапазоні



У загальному випадку енергія, випромінювана тілом при влученні на інші тіла, частково відбивається, частково поглинається і проходить крізь тіло (рис. 2.1):

де ЕA - поглинена енергія; ЕR - відбита енергія; ЕD - енергія, що пройшла через тіло.




Рис. 2.1 Схема балансу променевої енергії
Цю формулу можна представити у вигляді:

де А - поглинальна здатність тіла; R - відбивна здатність тіла; D - пропускна здатність тіла. Кожен з трьох доданків може дорівнювати одиниці: якщо А = 1, то R = 0 і D = 0 і тіло вважають абсолютно чорним; якщо R = 1, то A = 0 і D = 0 і тіло абсолютне біле; якщо D = 1, то A = 0 і R = 0 і тіло є абсолютно прозорим чи діатермічним. Усі тіла в тому чи іншому ступені відбивають, поглинають чи пропускають енергію. Вони називаються сірими тілами.
Закони теплового випромінювання. Закон Планка. Поверхнева густина потоку монохроматичного випромінювання для абсолютно чорного тіла залежить від довжини хвилі і температури тіла (рис. 2.2):

де С1 = 3,74 Ч 10-16 ВтЧм2; С2 = 1,44·10-2 м·К; λ - довжина хвилі випромінювання.

а) б)
Рис. 2.2 Спектри випромінювання абсолютно чорного тіла при різних температурах (а) і в порівнянні з спектрами випромінювання сірого тіла і газу (б)
Встановлена залежність

Закон Віна (закон зсуву). Зі збільшенням температури довжина хвилі, при якій поверхнева густина потоку монохроматичного випромінювання для абсолютно чорного тіла досягає максимуму зменшується:
lmT = 2114 мкм·К, (2.7)
де lm - довжина хвилі, при якій інтенсивність досягне максимуму.
Математичне вираження закону Віна одержують диференціюванням рівняння Планка, вважаючи отриману похідну рівною нулю:


m = 2,114/ T. (2.1)
Використовуючи закон зсуву Віна, можна вимірювати високі температури тіл на відстані, наприклад, розплавлених металів, космічних тіл і ін.
Закон Стефана-Больцмана (закон четвертих ступенів). Для абсолютно чорного тіла інтегральна густина випромінювання




де

Для практичних розрахунків математичне вираження закону представляється у вигляді:

де

Для сірого тіла закон Стефана-Больцмана має вигляд:

Для зручності розрахунків формулу представляють у вигляді:

де С - коефіцієнт випромінювання сірого тіла, Вт/ (м2ЧК4).
Для оцінки радіаційних властивостей реальних тіл використовується поняття ступеня чорності e як відношення потоку випромінювання тіла до потоку енергії, що випускається ідеальним випромінювачем з тією же температурою й у те ж середовище:

Для сірих тіл закон Стефана-Больцмана записують у вигляді:

де ε - ступінь чорності тіла; ε = С/С0; С0 - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла.
Закон Кірхгофа. Відношення випромінювальної (Е) здатності до поглинальної (А) для всіх сірих тіл однакове і дорівнює випромінювальній здатності абсолютно чорного тіла Е0 при тій же температурі і залежить лише від температури.

Закон Кірхгофа виводиться з розгляду променистого теплообміну між двома паралельними близько розташованими поверхнями, з яких одна сіра, а інша абсолютно чорна. Позначимо температуру, випромінювальну і поглинальну здатності цих поверхонь відповідно Т, Е, А; Т0, Е0, А0, причому Т > Т0.
Сіра стінка випромінює енергію









Із законів Стефана-Больцмана і Кірхгофа слідує, що

Звідки можна отримати:

Випромінювання тіла в процесі променевого теплообміну. Тіло, яке приймає участь у променевому теплообміні крім власного випромінювання


Сума енергій власного і вибитого випромінювання становить ефективне випромінювання тіла:


Рис.2.3 Схема для складання рівняння балансу енергії
Результуюче випромінювання

для площини а-а

для площини b-b

З цих рівнянь отримаємо:



Взаємне випромінювання двох тіл, одне з яких знаходиться в порожнині іншого. Кількість тепла, що передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого за допомогою випромінювання:

де Т1 і Т2 - температури більш і менш нагрітого тіла відповідно; F - поверхня випромінювання; τ - час; С12 - коефіцієнт взаємного випромінювання (приведений коефіцієнт); j - середній кутовий коефіцієнт, що враховує форму і розмір поверхонь, що беруть участь у теплообміні, їхнє взаємне розташування і відстань між ними (довідкова величина); С12 = ε12С0; ε12 - приведений ступінь чорності; ε1 і ε2 - ступінь чорності тіл 1 і 2.
Якщо поверхня випромінювання більш нагрітого тіла значно менше замкнутої довкола нього поверхні випромінювання твердого тіла, тобто F1 << F2, то С12 = С1.
Якщо тіло, що випромінює тепло, розміщене усередині іншого тіла, то j = 1 (рис.2.4). Тоді

де індекс 1 відноситься до більш нагрітого тіла, індекс 2 - до менш нагрітого.

Рис.2.4 Теплообмін в замкненому просторі
Взаємне випромінювання двох паралельних однакових за розмірами пластин. Густина потоку результуючого випромінювання при передачі теплоти від більш нагрітої до менш нагрітої паралельних однакових за розмірами пластин:

В свою чергу:


При усталеному режимі:

З останніх чотирьох рівнянь отримаємо:


Згідно законам Кірхгофа і Стефана-Больцмана:

Остаточно отримаємо:




Теплопередача - процес переносу тепла від одного теплоносія (гарячого) до другого (холодного) через стінку, що розділяє їх.
Запишемо вирази для густини теплового потоку при теплопередачі через плоску одношарову стінку (рис.2.5):
конвективна тепловіддача від середовища з більш високою температурою до лівої грані стінки

передача тепла теплопровідністю через стінку товщиною d

конвективна тепловіддача від правої грані стінки до другого (холодного) середовища

При стандартній тепловіддачі усі три теплові потоки повинні бути однаковими і постійними у часі, тобто:
q1=q2=q3=q. (2.31)
З наведених рівнянь знаходимо часткові температурні перепади:

Рис.9.5. Теплопередача через плоску стінку.



Знаходимо повний температурний перепад процесу теплопередачі складанням часткових перепадів і вирішенням системи рівнянь відносно теплового потоку:

Позначимо


Коефіцієнт пропорційності К, Вт/м2ЧК, називається коефіцієнтом теплопередачі. Величина, зворотна коефіцієнту теплопередачі 1/К, називається повним термічним опором теплопередачі (Rпов).

Величини



Якщо стінка складається із п шарів то можна записати:

Тоді рівняння теплопередачі через плоску стінку набуде вигляду:

Коефіцієнт теплопередачі через багатошарову плоску стінку становить:

Визначивши кількість тепла, що передається від одного теплоносія до іншого, можна знайти значення температур на поверхнях стінки:


Теплообмінними апаратами або теплообмінниками називаються пристрої, призначені для передачі тепла від більш нагрітого теплоносія (рідини чи газу) до менш нагрітого (рис.2.6).

а) б) в)
Рис.2.6 Схеми скруббера (а), обертального регенератора (б) і рекуперативного кожухотрубного теплообмінника.
При тепловому розрахунку рекуперативного теплообмінника (рис.2.7) основними розрахунковими рівняннями є: рівняння теплопередачі для елемента поверхні теплообміну




рівняння теплового балансу за умови відсутності теплових втрат











Рис. 2.7 Зміна температури робочих тіл при прямотоку (а) і протитоку (б).
Для теплообмінного апарату з прямотоком (рис.2.7 а) тепловий потік, що передається через елемент поверхні:

Температура гарячої рідини знижується на


Відповідно:

Звідки


Зміна температурного напору визначиться рівнянням:


Підставляючи значення


Позначивши




де


Перепишемо у вигляді




Тоді



Аналогічну формулу можна вивести і для апарату з протитоком (рис. 2.7 б):

Для обох випадків можна записати:



Знаючи величини




Література
1. Скотт Э. - 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 560 с. - (Фундаментальная и прикладная физика).
. Каганов М.И. Абстракция в математике и физике / Каганов М.И., Любарский Г.Я. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 352 с.
. Делоне Н.Б. Что такое свет? / Делоне Н.Б. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 56 с. - (Библиотека физ. - мат. лит. для школьников).
. Фейнман Р. Дюжина лекций: шесть попроще и шесть посложнее: пер. с англ. / Фейнман Р. - М.: БИНОМ, 2006. - 318 с.: ил.
. Вятчанин С.П. Физика. Тесты для старшеклассников и абитуриентов: учеб. пособие / Вятчанин С.П. - 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 109 с. - (В помощь абитуриенту).
. Миронова, Г.А. Конденсированное состояние вещества: от структурных единиц до живой материи: учеб. пособие / Г.А. Миронова;. - М.: МГУ, 2004 - Т.1. - 532 с.
. Миронова, Г.А. Конденсированное состояние вещества: от структурных единиц до живой материи: учеб. пособие / Г.А. Миронова;. - М.: МГУ, 2006 - Т.2. - 840 с.
. Трубецков, Д.И. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. В 2 т. / Д.И. Трубецков; автор А.Е. Храмов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003 - Т.1. - 496 с.
. Сборник задач по общему курсу физики. В 3 ч.: учеб. пособие / ред.В.А. Овчинкин, автор Д.А. Заикин, автор Э.В. Прут. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: МФТИ, 2002 - Ч.1: Механика. Термодинамика и молекулярная физика. - 2-е изд., испр. и доп. - 448 с.; МО. - (Физика).
. Эксперимент в физике. Физический практикум / Шутов В.И., Сухов В.Г., Подлесный Д.В. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 184 с.