Конвективный теплообмен

Коэффициент теплоотдачи. Основные случаи теплоотдачи. Уравнение теплоотдачи на границе потока и стенки. Понятия теплового и гидродинамического пограничных слоев, ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости. Основы теории подобия. Условия подобия физических явлений. Уравнения подобия. Определяющие и определяемые числа подобия. Физический смысл чисел подобия: Нуссельта, Грасгофа, Прандтля, Рейнольдса. Расчет теплоотдачи при вынужденном движении жидкости вдоль плоской поверхности ив трубах, при обтекании труб и пучков труб. Расчет теплоотдачи при свободном движении жидкости около поверхности.

Методические указания

При решении задачи стационарной теплопроводности при граничных условиях 3 рода в полученное решение для уравнения теплопередачи входят коэффициенты теплоотдачи и , характеризующие теплообмен между теплоносителями и твердой стенкой. В этой задаче численные значения и считаются заданными. Основная задача теории конвективного теплообмена – разработка зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи . Опыт преподавания показывает, что этот раздел теории тепло- и массообмена является наиболее трудным.

Для того чтобы уяснить, как вычислить , нужно внимательно изучить материал учебника, в котором разбирается физическая сущность конвективного теплообмена на основе теории Прандтля. Коэффициент теплоотдачи учитывает тепловое взаимодействие жидкости ( или газа ). Поэтому зависит от большого числа факторов. Существенный момент независимо от режима течения теплоносителя – конечный акт передачи теплоты теплопроводностью а тонком неподвижном слое жидкости ( или газа ), прилегающем к стенке. В случае ламинарного движения теплота от ядра потока к стенке передается теплопроводностью. В случае турбулентного потока « питание » теплотой ламинарного неподвижного подслоя осуществляется турбулентно перемещающимися макрочастицами теплоносителя. Совместное действие конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом. Студент должен понять, что система четырех дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных, описывающих конвективный теплообмен, совместно с условиями однозначности в принципе позволяют в результате строгого решения, получить этой системы уравнений встречаются непреодолимые математические трудности. С другой стороны, экспериментальное определение величины на натуральном объекте экономически нецелесообразно, так как необходимо провести очень большое количество опытов для определения влияния на каждого из факторов. При этом полученный результат будет пригоден только для объекта, на котором проводиться эксперимент. Теория подобия допускает проведение опытов не на натуральном объекте, а на его модели, а результаты опыта позволяют распространять на все подобные явления. Кроме того, базируясь на системе дифференциальных уравнений конвективного теплообмена, теория подобия четко определяет условия подобия физических явлений и процессов. Теория подобия – теория эксперимента. Нужно хорошо разбираться в материале учебника, посвященном основам теории подобия, и понять суть трех теорем подобия. Усвоить принцип получения критериев подобия конвективного теплообмена из дифференциальных уравнений, описывающих этот процесс. Запомнить, что определяющие критерии стационарного конвективного теплообмена (Re, Pr, Gr)составлены из параметров, входящих в условия однозначности, а определяемый критерий (Nu) наряду с параметрами, входящими в условия однозначности, включает в себя искомую величину коэффициента теплоотдачи . Понять значение второй теоремы подобия, позволяющей для подобных явлений записать общее решение системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена (не решая ее ) в виде функции критериев подобия вида F( Nu, Re, Gr )=0. Уравнение получается строго теоретически на основании теории подобия. Для перехода к практике допускают, что полученное общее решение может быть записано в виде , где A, n, m, - коэффициенты, определяемые на основе экспериментальных данных. Последнее представляет собой уравнение подобия в самом общем виде. Это уравнение является полуэмпирическим, так как оно получено на основе общих теоретических соображений, а коэффициенты, входящие в него, находятся из опыта. Имея уравнение подобия, находят определяемый критерий Nu, а по нему искомое значение коэффициента теплоотдачи После того как найден коэффициент теплоотдачи , нетрудно рассчитать тепловой поток по формуле Ньютона – Рихмана. Для условий теплообмена общее уравнение упрощается, например, при вынужденном движении жидкости по трубе Gr и , а при свободной конвекции и . Понять необходимость введения в уравнение подобия множителя , который учитывает влияние на критерии Nu, а следовательно, и на направления теплового потока при теплоотдаче ( нагревание или охлаждение жидкости). Учитывая изложенное, нужно четко уяснить физический смысл основных критериев ( Nu, Pr, Gr,Re) и применять при расчетах те зависимости подобия, которые соответствуют конкретному виду задачи

Литература:[2],с. 348-385, 388-391, 394-401.

Теплообмен излучением

Общие понятия и определения. Классификация лучистых потоков: собственное излучение, эффективное и результирующее излучение, падающее и поглощенное излучение; их взаимная связь. Законы теплового излучения: Планка, Стефана-Больцмана, косинусов Ламберта, Кирхгофа. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой. Теплообмен излучением между твердыми телами. Коэффициент облученности. Защита от теплового излучения. Особенности излучения газов и паров.

Методические указания

Прежде всего, нужно уяснить принципиальную разницу между теплообменом излучением и двумя уже известными видами теплообмена - теплопроводностью и конвекцией.

В процессе теплообмена излучением происходит двойное превращение энергии – сначала внутренняя энергия превращается в энергию электромагнитных волн, которые, попадая на другое тело, вновь превращаются во внутреннюю энергию этого тела. Разобраться в количественном соотношении между поглощенной, отраженной и пропущенной сквозь тело энергией электромагнитного излучения. Понимание этого вопроса позволит грамотно управлять тепловым излучением в нужном для практики направлении. Так, например, при защите объектов от лучистой энергии на пути ее распространения ставят экраны, максимально отражающие лучистую энергию. Наоборот, если необходим максимальный нагрев за счет лучистой энергии, объекту необходимо придать такие свойства, при которых осуществляется максимум поглощения лучистой энергии (покрытие краской, шероховатость и др ). Для получения максимальной пропускающей способности лучистой энергии (например, света ) необходимо выбрать стенку с соответствующими свойствами. Основные законы излучения и экспериментальные данные по свойствам отдельных тел дают возможность решать конкретные задачи, связанные с лучистым теплообменом. Поэтому, студенту необходимо усвоить законы Планка, Вина, Кирхгофа, Стефана – Больцмана, методику и границы их применения. Практически в теплообмене участвуют одновременно все три его вида, поэтому при решении конкретных задач нужно различать «весомость» того или иного вида теплообмена, с тем, чтобы уметь сознательно упрощать решение задачи с допускаемой погрешностью.

Литература:[2],c. 402-420.