Конвективный теплообмен. Уравнение Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Основы теории подобия. (Занятие 10)

1. Часть 2

Основы теории
теплообмена
Занятие 10
Конвективный теплообмен. Уравнение Ньютона-Рихмана.
Коэффициент теплоотдачи. Основы теории подобия.
Критериальные уравнения теплообмена. Теплоотдача при
естественной конвекции. Теплоотдача при вынужденном
движении теплоносителя.

2. Конвективный теплообмен

конвекция, теплоотдача
- процесс теплообмена, осуществляемый
между твердой поверхностью и
омывающим ее текучим.
Происходит в газах и жидкостях
свободная
КОНВЕКЦИЯ
вынужденная

3. Конвективный теплообмен

Перемешивание
Фильм101

4. Конвективный теплообмен

конвекция
Фильм 083

5.

Изучается на основе закона
Ньютона-Рихмана:
Q F tс tж
1
q tс t ж
tж1
tс
2
tж2
Q
Q 1F tж1 tс
Q 2 F tc tж2
- коэффициент Вт
теплоотдачи
м2 К
Вт
Вт
м2

6.

- коэффициент
теплоотдачи
1
R
- термическое
сопротивление
теплоотдачи
Коэффициент теплоотдачи зависит:
• от термодинамического состояния и
физических свойств среды, омывающей
поверхность
• от скорости и режима движения жидкости
• от формы и размеров поверхности
Определяется – ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО!!!

7.

Для распространения результатов
эксперимента на другие явления
используется ТЕОРИЯ ПОДОБИЯ
Теория подобия состоит из трех теорем:
1. У подобных явлений значения
одноименных критериев подобия
одинаковы
Для тепловых явлений используют
следующие критерии подобия:

8.

Критерии подобия:
l0
Критерий теплоотдачи (Нуссельта)
Nu
f
Критерий динамического
подобия (Рейнольдса)
Критерий Грасгофа
Критерий Прандтля
wl0
Re
v
gl0 t
Gr
2
v
v
Pr
a

9.

Вторая теорема:
2. Математическое описание изучаемого
явления должно быть представлено в виде
критериального уравнения.
Nu = f (Re, Gr, Pr)
Определяемый
критерий
Определяющие
критерии

10.

Третья теорема:
3. Подобными следует считать такие
явления для которых математичсекое
описание совпадает и одноименные
определяющие критерии подобия численно
равны.
Выделяются группы
явлений на которые
распространяются
результаты опытов

11. Теплоотдача при свободном движении жидкости

Осуществляется за счет разности температур,
вызывающих изменение плотности текучего.
1. В неограниченном пространстве

12. Теплоотдача при свободном движении жидкости

1. В неограниченном пространстве
описывается критериальным уравнением:
n Prж
Nu ж B Prж Grж
Вертикальная поверхность
Prc
0, 25
Горизонтальная поверхность
Pr Gr
B
n
Pr Gr
B
n
103—109
0,76
¼
103—108
0,5
¼
5 102—2 107
0,15
1/3
Для плит, обращенных вверх B·0,3
Для плит, обращенных вниз B/0,3

13. Теплоотдача при свободном движении жидкости

1. В ограниченном пространстве
Узкие глухие каналы, оконные рамы и т.п.

14. Теплоотдача при свободном движении жидкости

1. В ограниченном пространстве
определяется как и для явления теплопроводности
tс1 tс 2 э
q
э ж
- поправка на конвекцию
0,18
0, 25
Prж Grж ж

15. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости

Режим течения определяется числом Re
Re < 2000 – ламинарное
2000 < Re < 10000 – переходное
Re >> 104 - турбулентное
1. Течение жидкости в трубах
уравнение для ламинарного течения
0,33 0,43
0,1 Prж
Nu ж 0,15Re ж Prж Grж
Prc
0, 25

16. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости

Режим течения определяется числом Re
Re < 2000 – ламинарное
2000 < Re < 10000 – переходное
Re >> 104 - турбулентное
1. Течение жидкости в трубах
уравнение для турбулентного течения
0,8
Nu ж 0,021 Re ж
0,43 Prж
Prж
Prc
0, 25
l R

17. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости

l – зависит от длины трубы
l/d
1
2
5
10
15
20
30
40
50
l
1,90
1,70
1,44
1,28
1,18
1,13
1,05
1,02
1
R – зависит от радиуса закругления
d
R 1 1,77
Rиз

18. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости

1. Поперечное омывание труб
Одиночная труба
Среднее значение теплоотдачи:
Nu ж С Re nж
0,38 Prж
Prж
Prc
Re
С
п
102—103
0,59
0,47
103—105 2
0,21
0,62
0, 25

19. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости

При изменении угла атаки вводится
поправочный коэффициент

20. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости

1. Поперечное омывание труб
Коридорное
расположение
Пучки труб
Шахматное
расположение

21. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости

Среднее значение теплоотдачи:
Коридорное
расположение
Шахматное
расположение
Nu ж 0,23 Re 0,65
ж
Nu ж
0,41 Re 0,6
ж
Для воздуха:
Nu ж 0,21 Re 0,65
ж
Nu ж 0,37 Re 0,6
ж
0,33 Prж
Prж
Prc
0,33 Prж
Prж
Prc
0, 25
0, 25