Что характеризует коэффициент теплоотдачи

Теплоотдача теплоносителей

Теплоотдача – это физический процесс переноса теплоты (холода) между поверхностью твердых тел и омывающими их рабочими средами (теплоносителями). При этом теплоносителями могут быть: газы, жидкости, расплавы. Она происходит в результате конвекции, лучистого теплообмена.

В теплоносителе с неоднородным полем температур при вынужденном или естественном перемещении макроскопических элементов наряду с конвекцией происходит процесс переноса тепла теплопроводностью. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между теплоносителем и обтекаемой им поверхностью называют теплоотдачей.

В зависимости от движения теплоносителя, которое бывает свободным или вынужденным, теплоотдача характеризуется разными значениями. Также на величину теплоотдачи влияетизменение его агрегатного состояния.

Для характеристики интенсивности процесса теплообмена используется коэффициент теплоотдачи теплоносителя. Численно коэффициент теплоотдачи равен тепловому потоку, приходящемуся на единицу поверхности при температурном напоре, равный единице, α – Вт/(м2×К). Он показывает количество теплоты, которое передается в единицу времени через расчетную единицу поверхности. Во внимание берется разность температур между рабочей средой и контактирующей с ней поверхностью. Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости потока носителя тепла, вида течения, какова геометрия поверхности твердого тела и т.д.

Это сложная величина и ее невозможно определить общей формулой. Обычно коэффициент теплоотдачи находят экспериментально. Теплоотдача теплоносителей в условиях естественной конвекции – распространенное понятие, с которым связано как эксплуатация бытовых устройств, так и технических промышленных аппаратов и коммуникаций. Пример бытового теплообменника – обогревательные батареи, устанавливаемые для отопления помещений.

В компании «Савиа», которая специализируется на производстве широкой номенклатуры теплоносителей, можно заказать высококачественные товарные марки их различных видов, отвечающих необходимым требованиям предприятий различных отраслей промышленности и пожеланиям покупателей.

От чего зависит коэффициент теплоотдачи?

На значение коэффициента теплоотдачи влияют многие факторы и прежде всего, теплофизические свойства теплоносителя, его фазовое состояние, вид движения (естественное или вынужденное) и режим течения теплоносителя (ламинарный, переходный, турбулентный), а также характеристика контактируемой поверхности. К параметрам, от которых зависит величина коэффициента теплоотдачи, относятся:

Теплоотдача в условиях вынужденного движения

Во время ламинарного движения, когда скорость и температура на начальном участке трубопроводов распределяется равномерно, у поверхности ее стенок (на границе «теплоноситель – стенка») появляются пограничные слои. Чем дальше они находятся от входа, тем толще. Спустя некоторое расстояние они смыкаются. При этом коэффициент температурного расширения теплоносителя изменяется: на входе он имеет максимальный показатель.

Если рассматривается турбулентное движение, во внимание берутся условия входа теплоносителя в трубопроводы. Наличие острых кромок, большой угол ввода приводят к увеличению возмущения потока. В итоге коэффициент теплоотдачи увеличивается на участке стабилизации.

Иногда создается искусственная шероховатость на поверхности труб (имеет вид насечек), что при соотношении шага между находящимися рядом выступами и их высотой приводит к увеличению коэффициентных показателей теплоотдачи до 2,5 раз. В условиях ламинарного режима величина коэффициента не зависит от наличия шероховатостей.

Чтобы сделать теплообмен более интенсивным, применяются эффективные технологические методы: создаются пульсации потока рабочей среды, проводятся процессы в тонких каналах, когда теплоноситель течет в виде тонкой пленки.

Естественная конвекция и теплоотдача

Естественная конвекция и теплоотдача (конвективный теплообмен) возможны при движении теплоносителя, под влиянием разности его плотностей при различных температурах в определенных точках его объема. Микрочастицы рабочей среды, которые имеют более высокую температуру и соответственно имеют меньшую плотность, поднимаются вверх. А те, более холодные, стремятся вниз, но в результате нагревания также устремляются вверх.

В итоге показатель отдачи тепла зависит от размеров системы теплообмена, формы и площади поверхности охлаждения или нагрева, ее точных температурных показателей и физических характеристик теплоносителя. Однако, в инженерной практике конвективный теплообмен внутри теплоносителя при расчётах, как правило, не рассматривается.

При свободной (естественной) конвекции коэффициент отдачи тепла значительно ниже (в сотни раз), чем во время вынужденного турбулентного движения.

Источник

Что характеризует коэффициент теплоотдачи

1. Конвективный перенос теплоты

Конвекция возможна только в текучей среде, в которой перенос теплоты связан с переносом самой среды. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно происходит соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры. Совместный перенос теплоты путем конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом.

Количество теплоты, переданное в процессе теплоотдачи, определяется по уравнению Ньютона-Рихмана:

для установившегося режима

, Вт; (1.1)

для неустановившегося режима

, Дж, (1.2)

Коэффициент теплоотдачи α – характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Коэффициент α показывает, какое количество тепла передается от единицы поверхности стенки к жидкости в единицу времени при разности температур между стенкой и жидкостью в 1 градус (К), .

Установлено, что коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов: вида и режима движения жидкости, ее физических свойств, размеров и формы стенки, шероховатости стенки. Определение α является основной задачей расчета теплообменных аппаратов. Обычно коэффициент теплоотдачи определяют из критериальных уравнений, полученных преобразованием дифференциальных уравнений гидродинамики и конвективного теплообмена методами теории подобия.

Согласно положений теории подобия конвективный теплообмен без изменения агрегатного состояния вещества в стационарных условиях может быть описан критериальным уравнением вида:

, (1.3)

Критерий Нуссельта, входящий в уравнение (1.3), является определяемым. При известном значении Nu коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по формуле:

. (1.4)

Для расчета числа критерия Нуссельта при вынужденном движении потока в прямых трубах или каналах можно рекомендовать следующие уравнения:

а) для ламинарного режима движения теплоносителя, :

, (1.5)

б) для переходного режима движения теплоносителя, :

Значение коэффициента С определяется из таблицы 1.1 в зависимости от величины критерия Рейнольдса.

Для приближенных расчетов можно пользоваться уравнением:

. (1.7)

Источник

Основной закон теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи.

В процессе теплоотдачи независимо от направления теплового потока Q (от стенки к жидкости или наоборот) значе­ние его принято считать положительным, поэтому разность t_c— t _ж берут по абсо­лютной величине.

Коэффициент пропорциональности a называется коэффициентом теп­лоотдачи; его единица измерения Вт/(м 2 ·К). Он характеризует интенсив­ность процесса теплоотдачи. Численное значение его равно тепловому потоку от единичной поверхности теплообмена при разности температур поверхности и жид­кости в 1 К.

Строго говоря, выражение (5.5) справедливо лишь для дифференциально малого участка поверхности dF, т. е.

поскольку коэффициент теплоотдачи мо­жет быть не одинаковым в разных точках поверхности тела. Для расчета полного потока теплоты от всей поверхности нужно проинтегри­ровать обе части уравнения (5.6) по по­верхности

. (5.7)

Обычно температура поверхности принимается по­стоянной t_c = const, тогда

. (5.8)

В расчетах используются понятия сред­него по поверхности коэффициента теп­лоотдачи:

, (5.9)

(5.10)

Значение коэффициента теплоотдачи a зависит от физических свойств жидкости и ха­рактера ее движения.

Локальный коэф­фициент теплоотдачи при продольном об­текании тонкой пластины.

Рассмотрим процесс теплоотдачи от потока теплоносителя к продольно омы­ваемой им пластине. Скорость и темпера­тура набегающего потока постоянны и равны w_ж и t _ж (рис. 5.2).

Как уже отмечалось, частицы жидко­сти, непосредственно соприкасающиеся с поверхностью, адсорбируются («при­липают») к ней. Соприкасаясь с непод­вижным слоем, тормозятся и более уда­ленные от поверхности слои жидкости. Зона потока, в которой наблюдается уменьшение скорости (w

На начальном участке (при малых значениях координаты х) гидродинамический слой очень тонок (в лобовой точке с координатой х = 0 толщина равна нулю) и течение в нем ламинарное — струйки жидкости движутся параллельно, не перемешива­ясь. При удалении от лобовой точки тол­щина пограничного слоя растет. На не­котором расстоянии х = х_кр ламинарное течение становится неустойчивым. В по­граничном слое появляются вихри (тур­булентные пульсации скорости). Посте­пенно турбулентный режим течения рас­пространяется почти на всю толщину гидродинамического пограничного слоя. Лишь около самой поверхности пластины сохра­няется тонкий ламинарный, или вязкий подслой, где скорость не­велика и вязкость гасит турбулент­ные вихри.

Рис. 5.2. Образование пограничного слоя (а) и распределение местного (локального) коэф­фициента теплоотдачи (б) при продольном об­текании тонкой пластины.

С удалением от лобовой точки коли­чество охлаждающейся у пластины жид­кости увеличивается, и толщина теплово­го пограничного слоя возрастает анало­гично возрастанию d_г. В общем случае толщины теплового и гидродинамическо­го слоев не равны, но часто достаточно близки друг к другу, особенно в газах.

При ламинарном течении тепловой поток от охлаждающейся в пограничном слое жидкости переносится к поверхно­сти пластины только за счет теплопроводности. При этом плотность теплового потока по толщине пограничного слоя неодинакова: на внешней границе q = 0, ибо дальше жидкость не охлаждается; по мере приближения к поверхности зна­чение q возрастает. Для качественного анализа можно предположить, что плот­ность теплового потока q по всей толщи­не пограничного слоя такая же, как и у поверхности. Это условие соответ­ствует задаче о переносе теплоты тепло­проводностью через плоскую стенку (по­граничный слой толщиной δ_Т с темпера­турами t_c и t_ж на поверхностях). Со­гласно решению этой задачи Q

В переходном, а тем более, в турбулент­ном режиме основное термическое со­противление сосредоточено в тонком ла­минарном подслое, поэтому формула (5.11) приближенно пригодна для оце­нок и в этих режимах, если вместо δ_Т под­ставлять значение толщины ламинарного подслоя.

С увеличением толщины теплового пограничного слоя при ламинарном тече­нии жидкости у поверхности пластины интенсивность теплоотдачи уменьшается. В переходной зоне общая толщина по­граничного слоя продолжает возрастать, однако значение a при этом увеличивает­ся, потому что толщина ламинарного подслоя убывает, а в образующемся тур­булентном слое тепло переносится не только теплопроводностью, но и конвек­цией, т. е. более интенсивно. В результате сум­марное термическое сопротивление теп­лоотдачи убывает.

После стабилизации толщины лами­нарного подслоя в зоне развитого тур­булентного режима коэффициент тепло­отдачи вновь начинает убывать из-за возрастания общей толщины погранич­ного слоя.

Из формулы (9.11) видно, что ко­эффициент теплоотдачи к газам, облада­ющим малой теплопроводностью, будет ниже, чем коэффициент теплоотдачи к капельным жидкостям, а тем более к жидким металлам.

Для получения высоких коэффициен­тов теплоотдачи к газам стараются ка­ким-либо способом уменьшить толщину пограничного слоя. Проще всего для это­го увеличить скорость течения газа. Ин­тенсификация теплоотдачи происходит и при резкой искусственной турбулизации пограничного слоя струями, направ­ленными по нормали к поверхности. С помощью системы из мно­жества струй можно обеспечить высокие значения a от достаточно протяженной поверхности. Так, в воздушных струях с относительно невысокими скоростями истечения (w » 60 м/с) удается дости­гать значений a = 200¸300 Вт/(м 2 ∙К). При обычном продоль­ном обтекании протяженных поверхно­стей толщина пограничного слоя сравнительно велика, а коэффициент теплоотдачи к воздуху при таких скоростях обычно ниже 100 Вт/(м 2 ∙К).

Локальный коэф­фициент теплоотдачи при течении теплоносителя внутри трубы.

При течении жидкости в трубе тол­щина пограничного слоя вначале растет симметрично по всему периметру (рис. 9.3, а), до тех пор, пока слои с противоположных стенок не со­льются на оси трубы. Дальше движение стабилизируется и фактически гидроди­намический (и тепловой) по­граничный слой заполняет все сечение трубы. В зависимости от конкретных ус­ловий пограничный слой на начальном участке может успеть (или не успеть) перейти в турбу­лентный. Соответ­ственно стабилизированный режим тече­ния в трубе будет либо турбулентным с ламинарным подслоем около стенки, либо ламинарным по всему сечению.

В связи с особенностями течения жидкости в трубе изменяется и само по­нятие коэффициента теплоотдачи. Для пластины коэффициент a рассчитывался как отношение плотности теплового по­тока q к разности температур внешнего невозмущенного потока и поверхности (или наоборот при t_c > t_ж). В трубе по­граничный слой занимает все сечение и невозмущенного потока нет, поэтому под коэффициентом теплоотдачи понима­ют отношение плотности теплового по­тока q к разности температуры стенки и среднемассовой температуры жидко­сти, протекающей через данное сечение трубы.

Локальный коэффициент теплоотда­чи от трубы к текущей в ней жидкости изменяется лишь на начальном участке (рис. 9.3, б), а на участке стабилизиро­ванного течения a_ст = const, поскольку толщина пограничного слоя (d_т = r) по­стоянна. С увеличением скорости тече­ния теплоносителя в трубе a_ст возрастает из-за уменьшения толщины ламинарного подслоя, а с увеличением диаметра трубы уменьшается, поскольку растёт толщина всего пограничного слоя d_т = r.

Рис. 9.3. Образование пограничного слоя (а) и распределение местного коэффициента теп­лоотдачи (б) при турбулентном течении тепло­носителя внутри трубы.

Чтобы получить аналитическое выра­жение для коэффициента теплоотдачи, необходимо интегрировать систему диф­ференциальных уравнений, описываю­щих движение жидкости и перенос теплоты в ней. Даже при существенных упрощениях это возможно лишь в от­дельных случаях при ламинарном тече­нии жидкости, поэтому обычно для полу­чения расчетных зависимостей прибега­ют к экспериментальному изучению яв­ления.

Источник

ВОПРОС № 1 Теоретические основы теплоотдачи

Конвективный теплообмен

1. Г.Д. Кавецкий, В.П. Касьяненко «Процессы и аппараты пищевой технологии».- М., КолосС, 2008.-591 с.: ил.

1. Теоретические основы теплоотдачи.

2. Связь коэффициента теплопередачи с коэффициентами теплоотдачи.

1. Дайте определения и краткую характеристику существа процесса теплоотдачи?

2. В чем сущность основного закона теплоотдачи – закона Ньютона?

3. Какие критерии, характеризующие процесс теплоотдачи Вам известны?

4. Что каждый из них характеризует?

ВОПРОС № 1 Теоретические основы теплоотдачи

Теплоотдачей называется процесс теплообмена между поверх­ностью тела и окружающей средой.

Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи, равным отношению плотности теплового потока на поверхности раздела к температурному напору между поверхностью теплообмена и средой (теплоносителем).

При конвективном теплообмене теплота распространяется в потоке жидкости или газа от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно конвекцией и тепло­проводностью. От поверхности твер­дого тела к потоку жидкости она рас­пространяется через пограничный слой за счет теплопроводности, от по­граничного слоя к ядру потока жидко­сти или газа — в основном конвекци­ей. На интенсивность теплоотдачи су­щественное влияние оказывает характер движения потока жидкости или газа. Схема конвективного теплообмена приведена на рис. 1. Различают теплоотдачу при свободной и вынужденной конвек­ции. Под свободной, или естественной, конвекцией понимают перемещение частиц жидкости или газа в объеме аппарата или теплообменных устройств вследствие разности плотностей нагре­тых и холодных частиц жидкости или газа.

Скорость естественной конвекции определяется физическими свойствами жидкости или газа, разностью температур между горячими и холодными части­цами и объемом, в котором протекает процесс.

Вынужденная, или принудительная, конвекция возникает под действием насоса или вентилятора и определяется физическими свойствами среды, скоростью ее движения, формой и размерами канала, в котором движется поток.

При вынужденной конвекции теплообмен происходит значи­тельно интенсивнее, чем при естественной.

Основной закон теплоотдачи — закон Ньютона гласит: количе­ство теплоты dQ, переданное от поверхности теплообмена к пото­ку жидкости (газа) или от потока к поверхности теплообмена, прямо пропорционально площади поверхности теплообмена F, разности температур поверхности t_ст и ядра потока t_f (или наобо­рот) и продолжительности процесса dτ:

Единицу измерения коэффициента теплоотдачи можно получить, решив уравнения (1):

Если коэффициент теплоотдачи имеет постоянное значение вдоль всей поверхности теплообмена (а = const), уравнения (1) принимают вид

(3)

в зависимости от того, передается теплота от стенки омывающему стенку потоку или наоборот.

Значение коэффициента теплоотдачи, который определяет скорость конвективного теплообмена, зависит от многих факто­ров: режима движения жидкости (газа), физических параметров жидкости (газа), формы и размера поверхности теплообмена и др.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывают по критериальных уравнениям, которые получают методами теории подобия из диф­ференциального уравнения конвективного теплообмена, допол­ненного уравнениями, характеризующими условие на границе раздела потока и стенки аппарата.

Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена (урав­нение Фурье—Кирхгофа) получают, приравняв субстанциональную производную * (4)

к уравнению (6):

Для полного математического описания процесса последнее уравнение требуется дополнить условиями на границе раздела по­тока и стенки аппарата. Для этого рассмотрим процесс конвектив­ного теплообмена между стенкой аппарата и потоком жидкости (см. рис. 1). В данном случае поток жидкости можно рассмат­ривать как двухслойную систему, состоящую из пограничного слоя толщиной δ и ядра потока, в котором происходит интенсив­ное перемешивание частиц жидкости при турбулентном режиме.

Теплота от стенки аппарата через пограничный слой распростра­няется теплопроводностью, которая описывается законом Фурье [уравнение (5)]. Это же количество теплоты, описываемое зако­ном Ньютона, распространяется в ядре пото­ка. Приравнивая эти уравнения, получим уравнение, характеризу­ющее условия на границе,

(6)

* Субстанциональная производная выражает изменение температуры элемента одновременно во времени и в пространстве, связанное с перемещением элемента из одной точки в другую.

Дифференциальные уравнения, однако, можно привести к рас­четному виду только в простейших случаях. Во всех остальных случаях расчетные уравнения получают, используя методы теории подобия, из общих дифференциальных уравнений, приводя их при помощи экспериментальных данных к конкретному виду.

Критерий Нуссельта, характеризующий условия на границе, можно получить методами теории подобия из уравнения (6). Для этого делят обе части уравнения (6) на его левую часть и получают безразмерный комплекс

(7)

откуда после несложных преобразований — критерий Нуссельта

(8)

Критерий Фурье выводят из дифференциального уравнения конвективного теплообмена (5):

(9)

Критерий Фурье характеризует связь между скоростью измене­ния температурного поля, размерами канала, в котором происхо­дит теплообмен, и физическими свойствами среды в нестационар­ных условиях.

Критерий Пекле

Критерий Пекле показывает соотношение между количеством теплоты, распространяемой в потоке жидкости или газа конвек­цией, и теплопроводностью.

Легко видеть, что критерий Пекле представляет собой произве­дение критериев Рейнольдса и Прандтля

Ре = Vl/a = (Vl/v)(v/a) = RePr, (11)

где υ – кинематическая вязкость, м 2 /с.

Критерий Прандтля характеризует поле теплофизических вели­чин потока жидкости или газа

Учитывая, что коэффициент температуропроводности а = λ/сρ, критерий Прандтля записывается в виде Рг=μс/λ

При теплообмене в условиях естественной конвекции в крите­риальные уравнения вводят критерии Грасгофа

Из приведенных критериев подобия только критерий Нуссель­та содержит искомый коэффициент теплоотдачи, не входящий в условия однозначности, поэтому он является определяемым кри­терием подобия.

Критериальное уравнение конвективного теплообмена в общем виде

При стационарном процесса теплообмена из критериального уравнения (15) исключает критерий Фурье.

При вынужденной конвекции из критериального уравнения исключают критерий Грасгофа

При естественной конвекции из критериального уравнения ис­ключают критерий Рейнольдса

К расчетному виду уравнения (15), (17) и (18) приводят на основании экспериментальных данных, полученных в конкрет­ной гидродинамической и геометрической обстановке.

Коэффициент теплоотдачи определяют по найденному из кри­териальных уравнений критерию Нуссельта.

Коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции рассчи­тывают на основе критериального уравнения.

в котором числовые значения сипвыбирают в зависимости от произведения GrPr:

Определяющей температурой в критерии Грасгофа является средняя температура пограничного слоя t= 0,5(t_cт + t_f),а Δt= t_cт – t.

Коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции теплоно­сителя в трубе определяют по следующим уравнениям:

для турбулентного режима (Re > 10 000)

(20)

для ламинарного режима (Re ≤ 2320)

При поперечном обтекании трубы теплоносителем при Rе = (10÷2)∙10 5 используют уравнение

(22)

В котором числовые значения с и п находят в зависимости от значения критерия Рейнольдса:

Определяющим размером в этих уравнениях служит эквивалент­ный диаметр канала.

Физические параметры в критериях Nu, Re и Рr определены при средней температуре жидкости, а в критерии Рr_ст — при тем­пературе стенки.

(Рr/Рr_ст) 0,25 учитывает влияние на теплоотдачу направления теплового потока и температурного перепада.

При расчете коэффициента теплоотдачи в змеевиках значение α, полученное по формуле (20), умножают на коэффициент χ, учитывающий размеры змеевика:

где d, D – соответственно внутренний диаметр трубы змеевика и диаметр витка змеевика, м.

Для воздуха формула (20) имеет вид

(24)

так как в этом случае Pr\Pr_ст=1.

Когда теплота распространяется одновременно конвекцией и лучеиспусканием, в расчётное уравнение вводят общий коэффициент теплоотдачи α_общ= α_к+ α_изл, где α_к – конвективный коэффициент теплоотдачи; α_изл – коэффициент теплоотдачи излучением:

(25)

Для определения общего коэффициента теплоотдачи [Вт/(м 2 · К)] при расчете тепловых потерь аппаратуры, находящейся в закрытых помещениях, можно пользоваться приближенным уравнением

(26)

где Δt – разность температур поверхности стенки аппарата и окружающей среды.

ВОПРОС № 2 Связь коэффициента теплопередачи с коэффициентами теплоотдачи

Коэффициент теплопередачи рассчитывают на основании коэффициентов теплоотдачи, вычисленных по критериальным уравнениям.

Рис. 2. К расчету процесса теплопередачи

При установившемся процессе количество теплоты Q, передаваемое в единицу времени через площадку F от ядра потока горячего тепло­носителя стенке, равно количеству теплоты, передаваемому через стенку теплопроводностью и от стенки ядру потока холодного теплоносителя. Это количество теплоты можно определить:

Из этих уравнений получают разности температур или частные температурные напоры.

Складывая, левые и правые части этих уравнений, получают разность температур теплоносителей, или общий температурный напор

Из сопоставления уравнений и (40) получают

Величина 1/К, обратная коэффициенту теплопередачи, называ­ется общим термическим сопротивлением теплопередачи и обо­значается R(R= r₁+ + r_ст + r₂).

Величины l/α₁ и 1/α₂ называются частными термическими со­противлениями r₁ и r₂, а δ/λ — термическим сопротивлением стен­ки r_ст. Из уравнения (42) следует, что общее термическое со­противление теплопередаче равно сумме частных термических со­противлений теплоотдаче теплоносителей и стенки.

В случае многослойной стенки в уравнение (42) вместо δ/λ подставляют сумму термических сопротивлений каждого слоя стенки. Тогда

где п — число слоев стенки; і—порядковый номер слоя.

Отметим, что коэффициент теплопередачи всегда меньше ми­нимального коэффициента теплоотдачи.

Источник