Критерий подобия влияет на вид критериального уравнения при вынужденной конвекции в трубах

Критериальные уравнения теплообмена: расчет теплоотдачи в трубах и каналах

Теплоотдача при вынужденном течении жидкости в трубах и каналах

Теплоотдача в трубах и каналах может происходить при вынужденном или свободном характере конвекционных потоков (возможны также их сочетания в случае существенного влияния гравитационных сил).

При вынужденном течении (вынужденная конвекция) жидкость нагнетается или отводится под действием сил внешнего давления, например, ветра, насоса или вентилятора.

Свободное течение жидкости происходит под действием подъемных (гравитационных) сил за счет изменения ее плотности из-за разницы температуры – слой жидкости с меньшей плотностью стремиться занять верхнее положение относительно холодного слоя (свободная или естественная конвекция).

Интенсивность теплоотдачи, как при вынужденной, так и при свободной конвекции характеризуется коэффициентом теплоотдачи α, имеющим размерность Вт/(м 2 ·град), который определяется по формуле:

Nu – число Нуссельта; λ – коэффициент теплопроводности жидкости при средней температуре, Вт/(м·град);

d – эквивалентный диаметр, равный

F – площадь сечения канала, м 2 ; П – периметр канала, м.

Для трубы круглого сечения, эквивалентный диаметр равен внутреннему диаметру трубы.

В целом, расчет коэффициента теплоотдачи сводится к определению числа Нуссельта, значение которого задается соответствующими критериальными уравнениями конвективного теплообмена, зависящими от режима течения жидкости и формы канала.

Течение жидкости в трубах определяется значением числа Рейнольдса Re и в зависимости от его величины может быть ламинарным, переходным или турбулентным.

• Ламинарный режим течения жидкости характеризуется величиной числа Re до 2300.
• При значении числа Re от 2300 до 10000 режим течения в трубах является переходным.
• Турбулентный режим течения в трубах наблюдается при числах Re более 10000.

Число (критерий) Рейнольдса представляет собой безразмерный комплекс, связывающий скоростные и вязкостные характеристики жидкости с определяющим размером канала (для трубы – это ее диаметр).

Число Re определяется по формуле:

w – скорость течения жидкости, м/с; d – эквивалентный диаметр канала, м; ν — кинематическая вязкость жидкости при средней температуре, м 2 /с.

Теплоотдача в трубах и каналах существенно зависит от режима течения жидкости. При ламинарном режиме интенсивность теплоотдачи значительно меньше, чем при развитом турбулентном.

Теплоотдача при ламинарном течении в трубах и каналах

Ламинарный режим течения жидкости обычно характеризуется низкой скоростью потока. При этом в некоторых случаях влиянием конвекции, обусловленной действием гравитационных сил, пренебрегать нельзя.

Для выбора правильного критериального уравнения теплообмена и оценки влияния естественной конвекции на интенсивность теплопередачи при ламинарном режиме служит критерий Грасгофа Gr.

g – ускорение свободного падения, м/с 2 ;

β – температурный коэффициент объемного расширения, град -1 ;

d – эквивалентный диаметр канала, м;

ν — кинематическая вязкость жидкости при средней температуре, м 2 /с;

Δt – средняя разность температур жидкости и стенки, °С.

Теплоотдача при ламинарном течении в трубах и каналах с учетом естественной конвекции. Если величина комплекса GrPr превышает 8·10 5 , то расчет коэффициента теплоотдачи необходимо проводить с учетом влияния естественной конвекции в потоке жидкости по следующему критериальному уравнению:

Индекс «ж» означает, что свойства среды, входящие в критерии подобия Re, Pr и Gr берутся при средней температуре жидкости.

Число Прандтля с индексом «с» Pr_с берется для жидкости при температуре стенки.

ε_L – коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи по длине трубы или канала. Его можно определить с помощью таблицы:

Значения коэффициента ε_L при ламинарном режиме

L/d	1	2	5	10	15	20	30	40	50
εL	1,9	1,7	1,44	1,28	1,18	1,13	1,05	1,02	1

Теплоотдача при ламинарном течении в трубах и каналах без учета естественной конвекции. При значении GrPr 5 , влияние естественной конвекции на теплоотдачу жидкости пренебрежительно мало, и расчет коэффициента теплоотдачи можно проводить по следующему критериальному уравнению:

d – эквивалентный диаметр канала, м;

L – длина трубы (канала), м.

Представленные критериальные уравнения теплообмена при ламинарном режиме позволяют определить среднее значение числа Нуссельта, по величине которого можно рассчитать средний коэффициент теплоотдачи:

λ – коэффициент теплопроводности жидкости при средней температуре, Вт/(м·град);

d – эквивалентный диаметр, м.

Теплоотдача в трубах и каналах при турбулентном режиме

Теплоотдача в трубах и каналах при турбулентном режиме осуществляется путем передачи тепла при интенсивном перемешивании слоев жидкости. Критериальное уравнение теплообмена для расчета средней теплоотдачи в трубах и каналах в этом случае имеет вид:

Критерии подобия Re и Pr берутся при средней температуре жидкости. Число Прандтля с индексом «с» Pr_с берется при температуре стенки.

Представленное критериальное уравнение применяется в диапазоне чисел Re от 1·10 4 до 5·10 6 и Pr от 0,6 до 2500.

ε_L – коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы или канала при турбулентном режиме течения. Значения ε_L приведены в следующей таблице при различных числах Рейнольдса и отношениях длины канала к его эквивалентному диаметру:

Значения коэффициента ε_L при турбулентном режиме

Reж	L/d
	1	2	5	10	15	20	30	40	50
1·10 4	1,65	1,5	1,34	1,23	1,17	1,13	1,07	1,03	1
2·10 4	1,51	1,4	1,27	1,18	1,13	1,1	1,05	1,02	1
5·10 4	1,34	1,27	1,18	1,13	1,1	1,08	1,04	1,02	1
1·10 5	1,28	1,22	1,15	1,1	1,08	1,06	1,03	1,02	1
1·10 6	1,14	1,11	1,08	1,05	1,04	1,03	1,02	1,01	1

Расчет теплоотдачи в изогнутых трубах и каналах проводится по тому же критериальному уравнению с добавлением множителя — поправки на действие центробежных сил, которая определяется по формуле:

R — радиус изгиба трубы или канала, м; d – эквивалентный диаметр трубы или канала, м.

Теплоотдача в изогнутых трубах проходит более интенсивно, чем в прямых, за счет большего вихреобразования и лучшего перемешивания жидкости.

Расчет теплоотдачи при вынужденной конвекции

Пример расчета. Рассчитаем средний коэффициент теплоотдачи воды, текущей по трубопроводу длиной 1 м, диаметром d=0,01 м с расходом Q=20 л/мин. Средняя температура воды t_ж=50°С, температура стенки трубы t_с=10°С.

1. Определим физические свойства воды при температуре 50°С:

• Теплопроводность воды λ_ж= 0,648 Вт/(м·град);
• Плотность воды ρ_ж=988 кг/м 3 ;
• Кинематическая вязкость воды ν_ж=0,556·10 -6 , м 2 /с;
• Число Прандтля при температуре жидкости Pr_ж=3,54;
• Число Прандтля при температуре стенки Pr_с=9,52.

2. Рассчитаем среднюю скорость течения воды w по трубе:

3. Определим число Рейнольдса Re:

4. Поскольку число Рейнольдса имеет значение больше 1·10 4 , то режим течения является турбулентным и расчет теплоотдачи необходимо проводить по следующему критериальному уравнению:

Определим коэффициент ε_L по соотношению L/d=1/0,01=100. Поскольку L/d>50, то коэффициент ε_L=1_.

Выполним расчет числа Нуссельта по приведенному критериальному уравнению:

5. Рассчитаем средний коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы по формуле:

Таким образом, средний коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы составляет 14,65 кВт/(м 2 ·град).

Теплоотдача при свободной конвекции в трубах и каналах

Теплообмен при свободном движении жидкости (или газа) происходит вследствие разности плотностей нагретых и холодных ее слоев. Интенсивность теплоотдачи жидкости в трубах и каналах при свободной конвекции существенно зависит от их положения в пространстве относительно силы тяжести.

Теплоотдача при свободной конвекции имеет различный характер в случаях свободного течения в неограниченном пространстве и теплообмена в ограниченном объеме (в узкой трубе или канале).

Свободная конвекция в неограниченном пространстве

Конвекция в неограниченном пространстве протекает, например при охлаждении трубопровода центрального отопления, расположенного на улице в безветренную погоду, вблизи от которого отсутствуют препятствия для движения воздушных потоков.

Горизонтальный канал или труба. Интенсивность теплоотдачи при свободной конвекции зависит от величины комплекса GrPr. При значении GrPr от 10 3 до 10 9 критериальное уравнение, описывающее среднюю теплоотдачу от поверхности горизонтальных труб и каналов, имеет вид:

В качестве определяющего размера принимается наружный диаметр d канала или трубы.

Вертикальный канал (труба, пластина). Для вертикальных труб и каналов при значении GrPr от 10 3 до 10 9 критериальное уравнение, описывающее среднюю теплоотдачу, имеет вид:

При GrPr>10 9 :

Примечание: В приведенных критериальных уравнениях теплообмена свойства жидкости, входящие в числа Gr и Pr, определяются при температуре окружающей среды. Число Прандтля с индексом «с» Pr_с берется для жидкости при температуре стенки. В качестве определяющего размера принимается длина L (высота) вертикально стоящей трубы или канала.

Свободная конвекция в ограниченном объеме

Теплообмен жидкости в ограниченном объеме при свободной конвекции характеризуется совместным протеканием процессов нагрева и охлаждения соседних слоев жидкости (или газа). Эти процессы сопровождаются сложным течением нисходящих и восходящих потоков, зависящих от рода жидкости, разницы температуры, формы канала и его геометрических размеров.

Для упрощения расчета таких сложных процессов конвективного теплообмена принято рассматривать их, как явление теплопроводности в щели толщиной δ с учетом понятия эквивалентного коэффициента теплопроводности λ_эк.

Эквивалентный коэффициент теплопроводности определяется по формуле:

Q — количество переданного тепла, Вт; δ — толщина слоя жидкости (или газа), м; F — площадь теплоотдающей поверхности, м 2 ; Δt=t_c1-t_c2 — температурный напор между нагретой и холодной стенками, °С.

Отношение эквивалентного коэффициента теплопроводности λ_эк к величине теплопроводности окружающей жидкости при средней температуре называется коэффициентом конвекции ε_к, который определяется значением комплекса GrPr.

При малых значениях комплекса GrPr 3 6 :

При 10 6 10 :

Примечание: Числа подобия Gr и Pr рассчитываются при средней температуре жидкости (или газа), равной t_ж=0,5(t_c1+t_c2). В качестве определяющего размера принимается δ — толщина слоя жидкости.

Расчет теплоотдачи при свободной конвекции

Пример расчета. Рассчитаем потери тепла естественной конвекцией от горизонтального трубопровода центрального отопления, находящегося на открытом воздухе. Диаметр трубопровода d=0,15 м, длина L=5 м, средняя температура наружной стенки t_с=80°С. Температура окружающего воздуха t_ж=20°С.

1. Определим физические свойства воздуха при температуре 20°С:

• Теплопроводность воздуха λ_ж= 0,0259 Вт/(м·град);
• Кинематическая вязкость воздуха ν_ж=15,06·10 -6 , м 2 /с;
• Число Прандтля при температуре жидкости Pr_ж=0,703;
• Число Прандтля при температуре стенки Pr_с=0,69;
• Коэффициент объемного расширения β_ж=1/(273+20)=0,00341 град -1 .

2. Вычислим число Грасгофа Gr по формуле:

3. Определим значение комплекса GrPr:

Этому значению комплекса соответствует следующее критериальное уравнение теплообмена при свободной конвекции в случае горизонтальной трубы:

4. Вычислим значение числа Нуссельта Nu:

5. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от трубы α по формуле:

6. Определим потери тепла с боковой поверхности трубопровода по формуле:

Подставляя численные значения, окончательно получаем потерю тепла:

Таким образом, только путем естественной (свободной) конвекции рассмотренный трубопровод отопления отдает воздуху 1681 Вт тепла.

Критериальные уравнения КТО. Свободная и вынужденная конвекция.

Используя теорию подобия из системы дифференциальных уравнений 10.4, 10.9, 10.10 и 10.11 можно получить уравнение теплоотдачи (10.3) для конвективного теплообмена в случае отсутствия внутренних источников тепла в следующем критериальной форме:

где: X₀; Y₀; Z₀ – безразмерные координаты; Nu = α ·l₀/λ — критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи), характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью (газом); Re = w·l₀/ν — критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и вязкости и определяет характер течения жидкости (газа); Gr = (β·g·l₀ 3 ·Δt)/ν 2 — критерий Грасгофа, характеризует подьемную силу, возникающую в жидкости (газе) вследствие разности плотностей; Pr = ν/а = (μ·c_p)/λ — критерий Прандтля, характеризует физические свойства жидкости (газа); l₀ – определяющий размер (длина, высота, диаметр).

Свободная конвекция в неограниченном пространстве.

а). Горизонтальная труба диаметром d при 10 3 8 .

б). Вертикальная труба и пластина 1). ламинарное течение — 10 3 9 :

2). турбулентное течение — (Gr ·Pr)_ж > 10 9 :

Здесь значения Gr_жd и Pr _ж берутся при температуре жидкости (газа), а Pr_ст при температуре поверхности стенки.
Для воздуха Pr _ж/Pr_ст = 1 и формулы (10.13-10.15) упрощаются.
2. Вынужденная конвекция.

Режим течения определяется по величине Re. а). Течение жидкости в гладких трубах круглого сечения. 1). ламинарное течение – Re 0,33 ·Pr_ж 0,33 ·(Gr_жd·Pr_ж) 0,1 ·(Pr_ж/Pr_ст) 0,25 ·ε_l , (10.16)

где ε_l — коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы и зависит от отношения длины трубы к его диаметру (l/d). 2). переходной режим – 2100 4

Коэффициент К₀ зависит от критерия Рейнольдса Re

3). турбулентное течение – Re = 10 4

б).Обтекание горизонтальной поверхности. 1). ламинарное течение – Re 4

2). турбулентное течение – Re > 4·10 4

в). Поперечное обтекание одиночной трубы (угол атаки  = 90 0 ). 1). при Re_жd = 5 — 10 3

2). при Re_жd = 10 3 — 2·10 5

29. Теплообмен излучением. Законы излучения твёрдых тел. Применение экранов.

Может происходить между двумя телами расположенными на значительном расстоянии друг от друга. Характерной особенностью лучистого теплообмена является отсутствия непосредственного соприкосновения тел, а так же отсутствия теплоносителей в виде жидкости или газа. Согласно электромагнитной теории света носителями лучистой энергии являются электромагнитные волны излучаемые телами. Лучистая энергия падающая на тело в зависимости от его свойств, формы и состояния поверхности в общем случае частично поглощается и переходит в тепловую энергию, частично проходит сквозь него и частично отражается в окружающее пространство. Длина волн различных излучений изменяется от нуля до бесконечности. Мы будем рассматривать только видимые и тепловые лучи.

λ_волн = 0,4÷0,76 мкм, тепловых(инфракрасных) = 0,76÷400мкм.

Q = Q_A + Q_D + Q_B

D – пропускательная способность тела,

А = 1 D = R = 0 – абсолютно черное тело

D = 1 A = R = 0 – абсолютно прозрачное тело,

R = 1 A = D = 0 – абсолютно белое тело.

Закон Планка – установил зависимость между интенсивностью излучения абсолютно черного тела, длиной волны и температурой.

λ – длина волны, Т – абсолютная температура, С₁, С₂ – константы.

Закон смещения Вина – с повышением температуры максимум смещается в сторону коротких длин волн.

Закон Стефана – Больцмана – полное количество энергии, излучаемое 1м 2 поверхности для всех длин волн от λ = 0 до λ = ∞ определяется:

— для чёрного тела, — для серого тела. ε – степень черноты.

Закон Кирхгофа – устанавливает зависимость между излучательной и поглощательной способностью тела. .

Отношение излучательной способности к поглощательной для любых тел = излучательной способности абсолютно черного тела и зависит только от температуры.

Тепловой поток от 1 пластины ко 2: . При условии установления экрана с ε как у 1 и 2 поверхности, тепловой поток излучения уменьшится в 2 раза. Если будут 2,3,…,n экранов, тепловой поток будет уменьшаться в раз.

.

30. Излучение газов. Отличие от излучения твёрдых тел, их закономерности.

Свойствами излучать энергию в отличие от твёрдых тел обладают газы, но они имеют свои особенности.

1 Одно и двух атомные газы практически не излучают и не поглощают лучистую энергию, трёх и более атомные газы и излучают и поглощают.

2 Если спектр излучения твёрдого тела является сплошным, то спектр излучения газов состоит из отдельных полос, то есть газы излучают и поглощают лучистую энергию только определённых длин волн.

Наиболее изучены излучательные свойства СО₂ и водяного пара. Излучательные свойства остальных газов изучены очень слабо.

СО₂ и Н₂О излучают и поглощают энергию в следующих пределах длин волн:

СО₂ Н₂О

3 Твёрдые тела излучают и поглощают энергию в поверхностном слое, то газы излучают энергию в объёме. Излучательная способность газов является функцией абсолютной температуры Т, длины пути луча R и парциального давления Р Pl – сила поглощ.

Если излучательная способность твёрдых тел подчиняется закону Стефана – Больцмана, то излучательная способность газов этому закону не подчиняется. Е для газов не пропорциональна Т 4 , но принимают её пропорциональной с поправочным коэффициентом.

Теплообмен между газом и оболочкой окружающей этот газ определяется уравнением типа Стефана – Больцмана. , где f – среда газообразная, W – стенка, ε_W ’ – приведена степень черноты поверхности стенки.

, — степень черноты газа.

— газа,

— водяного пара.

.

Дата добавления: 2015-04-16 ; просмотров: 28 ; Нарушение авторских прав

10.4. Критериальные уравнения конвективного теплообмена

Используя теорию подобия из системы дифференциальных уравнений 10.4, 10.9, 10.10 и 10.11 можно получить уравнение теплоотдачи (10.3) для конвективного теплообмена в случае отсутствия внутренних источников тепла в следующем критериальной форме:Nu = f₂(Х; Ф; X₀; Y₀; Z₀; Re; Gr; Pr) , (10.12)

Nu = α ·l₀/λ — критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи), характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью (газом);

Re = w·l₀/ν — критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и вязкости и определяет характер течения жидкости (газа);

Gr = (β·g·l₀ 3 ·Δt)/ν 2 — критерий Грасгофа, характеризует подьемную силу, возникающую в жидкости (газе) вследствие разности плотностей;

Pr = ν/а = (μ·c_p)/λ — критерий Прандтля, характеризует физические свойства жидкости (газа);

l₀ – определяющий размер (длина, высота, диаметр).

🎦 Видео

Читайте также: Ordm;. Кинематические уравнения Пуассона. V. ЗАКОНЫ, ФОРМУЛЫ, УРАВНЕНИЯ Анализ уравнения массового расхода идеального газа и критическое давление Аппроксимация уравнения гиперболического типа Аппроксимация уравнения параболического типа Аппроксимация уравнения эллиптического типа Будем искать частное решение уравнения Виды теплообменных аппаратов. Основные расчетные уравнения. Вопрос 3. Под каким номером указан вид частного решения уравнения , где — многочлены четвертой степени? Вывод закона Бернулли из уравнения Эйлера и термодинамических соотношений