Основы теплопередачи - Крейт Ф.
Скачать (прямая ссылка):
150
100
* 50
о
— і
- _____
250 350
450 550 650 Температура, К
750 850
Рис. 1.8. Изменение коэффициентов теплопроводности некоторых металлов в зависимости от температуры.
І —медь; 2 — алюминий; 3—углеродистая сталь; 4 — нержавеющая сталь 18-8.
1J В отечественной литературе применяется термин «сэкранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ)», — Прим. пер*
Принципы теплопередачи 23
1.3. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН
Если жидкость (или газ) вступает в контакт с поверхностью твердого тела, имеющей другую температуру, протекающий процесс обмена тепловой энергией называется конвективным теплообменом. Такой процесс часто встречается в жизни, но подробно описать его механизм довольно сложно. В этой вводной главе мы не будем пытаться охватить аналитические методы, а постараемся привести основные соотношения, позволяющие рассчитать конвективные тепловые потоки в тех подсистемах, которые играют существенную роль в общих системах нагрева или охлаждения.
Различают два вида конвекции: естественную, или свободную, конвекцию и вынужденную конвекцию. В конвекции первого вида движущая сила обусловлена разностью плотностей жидкости, вызванной ее контактом с поверхностью, имеющей другую температуру, вследствие чего возникают подъемные (архимедовы) силы. Типичными примерами такой конвекции являются теплоотдача от стен или крыши здания в безветренный день, конвекция в сосуде с жидкостью, в которую погружена нагревательная спираль, или теплоотдача от солнечного коллектора в безветренную погоду.
Вынужденная конвекция происходит в условиях, когда под действием внешней движущей силы жидкость обтекает поверхность, имеющую более высокую или более низкую температуру, чем сама жидкость. Поскольку скорость жидкости при вынужденной конвекции больше, чем" при свободной, в этом случае может быть передано больше тепла при заданном перепаде температур. Это возрастание теплового потока компенсируется работой, затрачиваемой для приведения жидкости в движение. Но независимо от того, является ли конвекция свободной или вынужденной, тепловой поток qc можно выразить с помощью закона Ньютона при охлаждении:
qc = hcA(Ts-TuJ, (1.16)
Таблица 1.2
Приближенные значения коэффициента конвективной теплоотдачи
Вид конвекции и среда Вт/( м?-град)
Свободная конвекция, воздух 5- 25
Свободная конвекция, вода 20- -100
Вынужденная конвекция, воздух 10- ¦200
Вынужденная конвекция, вода 50- ¦10 000
Кипящая вода 3 000- •100 000
Конденсирующийся водяной пар 5 000- 100 000
24 Глава 1
где he — удельная тепловая проводимость для конвекции или средний коэффициент конвективной теплоотдачи на поверхности раздела жидкости и твердого тела, Вт/(м2-град); Л— площадь поверхности, омываемой жидкостью, м2; T8 — температура поверхности, К; Tf^oo — температура невозмущенной жидкости вдали от поверхности теплообмена, К. Соотношение (1.16) служит только для определения ac. Численное значение H0 можно найти теоретически или экспериментально. Размерность hc в системе СИ — Вт/(м2-град). В табл. 1.2 указаны некоторые приближенные значения коэффициента конвективной теплоотдачи, включая случаи кипения и конденсации, которые обычно относятся к области конвекции1).
Пример 1.4. Вода с температурой 300 К омывает одну сторону пластины с размерами 1X2 м, температура которой поддерживается равной 400 К. Рассчитать конвективный тепловой поток от пластины к воде, если коэффициент конвективной теплоотдачи составляет 200 Вт/(м2-град).
Решение. Вычисляя тепловой поток по формуле (1.16), получаем ,
qc = hcA (T8 - T1 = 200 • 2 - (400 - 300) = 40 000 Вт.
Методы расчета коэффициента теплоотдачи рассмотрены в гл. 4 и 5. Здесь мы просто опишем физический процесс и укажем основные особенности конвективного переноса тепла к потоку жидкости. На рис. 1.9 показана нагретая плоская пластина,
Рис. 1.9. Профили скорости и температуры при вынужденной конвекции около нагретой пластины
охлаждаемая обтекающим ее воздушным потоком. Кроме того, показаны профили скорости и температуры. Прежде всего отметим, что из-за действия сил вязкости скорость и (у) уменьшается по направлению к стенке. Поскольку скорость слоя жидкости, примыкающего к стенке, равна нулю, плотность
!) Процессы кипения и конденсации сопровождаются фазовыми превращениями и имеют много специфических особенностей, вследствие чего как в отечественной, так и в зарубежной литературе они обычно рассматриваются как самостоятельные разделы теории теплообмена. — Прим. ред,
Потон жидкости
ужидк
Конвективный I тепловой Tffl поток qc
Принципы теплопередачи 26
(1.17)
теплового потока (тепловой поток на единицу площади1)) от стенки к этому слою жидкости определяется только теплопроводностью
Qc // *_ дТ I L er т \
Хотя при рассмотрении процесса с такой точки зрения предполагается, что передача тепла осуществляется теплопроводностью, градиент температуры на стенке (дТ/ду)\у=о определяется скоростью переноса тепла жидкостью от стенки в основной поток. Поэтому градиент температуры на стенке зависит от поля течения, и чем выше скорость течения, тем больше и градиент температуры, и тепловой поток. В то же время существенную роль играет и коэффициент теплопроводности жидкости. Например, величина kf для воды примерно на порядок больше, чем для воздуха; поэтому, как указано в табл. 1.2, коэффициент конвективной теплоотдачи для воды больше, чем воздуха.
