Тема 9 Естественная конвекция

Естественная или свободная конвекция происходит в газах или жидкостях с переменной плотностью в поле массовых сил, например, в поле земного тяготения. При этом возникают силы плавучести (Архимеда). В реальных условиях механизмы естественного и вынужденного переноса тепла могут действовать одновременно. Соотношение между тепловыми потоками, вызванными естественной и вынужденной конвекцией оцениваются отношением сил плавучести пропорциональных ∆ρqh(где∆ρ— разность плотностей в точках, разделенных расстояниемh, q— ускорение свободного падения) и сил инерции пропорциональныхρU². Это отношение называется числом Ричардсона.

При малых относительных изменениях плотности

по сравнению с характерной величиной преобладает вынужденная конвекция. При условии > процессом, определяющим перенос тепла является естественная конвекция.

Разность плотностей ∆ρ = ρ – ρ₀выражают через разность температур

,

где — коэффициент термического расширения.

Критерием, определяющим интенсивность теплообмена при естественной конвекции, является число Грасгофа, которое характеризует соотношение сил плавучести и вязкости

При обработке опытных данных о теплоотдаче при естественной конвекции используется также число Рэлея

В модели Буссинеска изменение плотности учитывается лишь при определении массовой силы плавучести.

(9.1)

где — проекция ускорения свободного падения на выбранную ось координатх.

Тогда уравнение плоского движения в проекции на ось х при условии

запишется в виде

(9.2)

Естественная конвекция вблизи твердой стенки в большом объеме обладает свойствами пограничного слоя. Однако поле скорости непосредственно связано с распределением температуры плотности. Рассмотрим ламинарное течение в пристенном слое вблизи нагретой вертикальной пластины в неограниченном пространстве.

Уравнения пограничного слоя для стационарных свободноконвективных течений имеет вид:

— уравнение неразрывности

(9.3)

— уравнение движения в проекции на ось х

(9.4)

— уравнение энергии

(9.5)

Для решения (9.3) – (9.5), следуя Польгаузену, переходит к новым переменным

(9.6)

где ψ (х,у) — функция тока,

Проекции скорости в этих переменных выражаются следующим образом

(9.7)

Тогда из (9.6), (9.7) получим два обыкновенных дифференциальных уравнения:

(9.8)

Система (9.8) решается при следующих граничных условиях

, при

при

(9.9)

Уравнения (9.8) с граничными условиями (9.9) решаются численно или методом интегральных соотношений. Полученное численное решение после перехода к исходным физическим переменным определяет локальное число :

(9.10)

и среднее число

(9.11)

где

.

Для расчета теплоотдачи от пластины, установленной с учетом наклона между нижней теплоотдающей поверхностью пластины и вертикалью φ

(9.12)

где

Для обращенной вверх нагретой пластины

(9.13)

где

Для турбулентной естественной конвекции установлена критериальная зависимость

(9.14)

гдеPr=2.4-118 ,

При расчете конвективной теплоотдачи за счет механизма естественной конвекции для вертикальных пластин, горизонтальных и вертикальных цилиндров, шаров применяется формула

(9.15)

где характерный размер для вертикальных пластин и цилиндров – высота, а для горизонтальных цилиндров и шаров – диаметр, физические параметры определяются при , Pr>0.7

Эмпирические константы Сиnразличные в разных диапазонах по числу Рэлея:

(9.16)

— режим псевдотеплопроводности (10^-3<Ra<5∙10²) , С = 1, 18,

— режим сформировавшегося ламинарного слоя

С = 0,54 ;

— переходный и турбулентный режим

С = 0,135 ;

При естественной конвекции в ограниченном пространстве толщина слоя соизмерима с размерами пространства. Поэтому перенос теплоты существенно зависит от формы этого пространства.

В слое жидкости или газа с температурой нижней пластины Т₂ > Т

1, расположенном между двумя плоскими горизонтальными пластинами, отстоящими на расстоянииδ, естественная конвекция возникает при

,

где — число Рэлея,Ra_кр= 1700. (9.17)

При возникает ползущее течение с малыми скоростями. Образуются шестигранные в плане ячейки. В опытах с большинством жидкостей отличается подъем жидкости в центрах ячеек и опускание на гранях. В опытах с газами наблюдается обратная картина, что связано с возрастанием вязкости с ростом температуры. Вязкость жидкости снижается с ростом температуры. Критериальное уравнение теплообмена имеет вид

(9.18)

где ,— эквивалентная с учетом конвекции теплопроводность.

Режим развитой ламинарной конвекции наблюдается при

, возникает структура чередующихся длинных горизонтальных валов. Число Нуссельта определяется зависимостью

В переходном режиме

(9.19)

При

(9.20)

В формулах (9.17) – (9.20) в качестве определяющей принята температура

, определяющий размер – δ.

Удельный тепловой поток через рассмотренный щелевой зазор δ находится по формуле

(9.21)

где

Следует отметить, что численные решения уравнений Навье-Стокса удовлетворительно согласуются с обобщенными экспериментальными данными (9.17) – (9.20).

Рассмотрим конвекцию воздуха в вертикальном щелевом зазоре δмежду плоскими пластинами высотойh(h / δ = 10)имеющими температуры Т₁и Т₂> Т₁приинтенсивность переноса теплоты определяется коэффициентом теплопроводности. Принаблюдается режим, когда начинает формироваться ламинарное течение. В диапазонепоявляется режим развитого ламинарного пограничного слоя. Переходный от ламинарного к турбулентному слою характеризуется условием. Принаблюдается развитое турбулентное течение.

Для капельных жидкостей при и

(9.22)

Для воздуха при и

(9.23)

В формулах (9.22) и (9.23) характерный размер – ширина щели δ,,∆Т = Т₂ – Т₁,

Конвекция естественная (свободная) — Энциклопедия по машиностроению XXL

Различают естественную (свободную) и искусственную (вынужденную) конвекцию. Причиной перемещения жидкости или газа из одной части пространства в другую может быть различие плотностей отдельных частей жидкости или газа из-за их неравномерного нагрева. Более легкие частицы жидкости или газа будут подниматься вверх, а на их место будут опускаться болев холодные частицы, обладающие большей плотностью. В этом случае характер движения и теплообмена определяется только условиями нагрева (температурным полем). Такое движение жидкости или газа носит название свободной, а теплообмен —теплообмена в свободном потоке.  [c.270]
При неизотермическом движении среды процесс конвекции всегда сопровождается теплопроводностью, роль которой зависит от характера течения и свойств жидкости. Условимся в дальнейшем под жидкостью (средой) понимать не только капельную жидкость, но и газ. Процесс теплоотдачи может происходить при естественной (свободной) и вынужденной конвекции.  [c.94]

Естественная конвекция. При естественной (свободной) конвекции движение жидкости полностью определяется процессом теплообмена. В жидких металлах влияние молекулярной теплопроводности распространяется далеко за область гидродинамического пограничного слоя, где поле скорости определяется не молекулярной вязкостью, а турбулентной (V v, ). В таком случае N11 = == / (Сг Рг°-).  [c.98]

Различают конвективный теплообмен в однофазной среде и в двухфазной среде, в частности при изменении агрегатного состояния жидкости (или пара). По другому признаку различают конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости или газа (вынужденная конвекция) и свободном движении (естественная конвекция). Вынужденным называют движение жидкости (газа), обусловленное внешними силами, свободным — движение, обусловленное неравномерным распределением плотности жидкости (газа) в поле силы тяжести в связи с протеканием процесса теплообмена (температурное поле, изменение агрегатного состояния).  [c.206]

От причины, вызывающей движение среды, различают свободную и вынужденную конвекцию. При свободной конвекции теплопередача протекает в среде, движение которой возникло в результате изменения плотности в различных ее частях, например, естественное охлаждение внешней поверхности стенок печей в среде окружающего воздуха.  [c.113]

Конвекция — перенос теплоты в жидкостях и газах за счет перемещения их объемов при нагревании. Конвективный перенос теплоты происходит совместно с теплопроводностью. Он может осуществляться в результате свободного или вынужденного движения жидкости или газов (естественная или вынужденная конвекция). Естественная конвекция происходит вследствие разности температур (плотностей) нагретых и холодных частиц жидкости или газа (при нагревании воды в котлах, воздуха у нагревательных приборов). Вынужденная конвекция происходит под влиянием вынужденного движения воды (насосом) или воздуха (вентилятором). Теплоотдача конвекцией повышается с увеличением разности температур и скорости движения жидкости или газа.  [c.5]

Условия подобия процессов теплообмена при естественной конвекции. Естественная или свободная конвекция возникает вследствие различия плотностей нагретых и холодных частиц жидкости — теплоносителя. Для большинства жидкостей в практических условиях зависимость плотности от температуры имеет характер, близкий к линейному. Если вдали от нагретого тела температура теплоносителя ж, а около поверхности тела /, то соответствующие значения плотности рж и р связаны уравнением  [c.41]

Конвекция подразделяется на сио-бодную и вынужденную. Если движение среды обусловлено разностью ее плотностей вследствие неравномерности обогрева, то конвекция называется свободной (естественной). Вынужденная (искусственная) конвекция создается принудительно с помош,ью нагнетателей (насоса, вентилятора и компрессора).  [c.14]

Движение газов под действием сил тяжести, возникающих, например, вследствие разности удельных весов газов в различных точках рабочего пространства печи, называют естественным (свободным движением, естественной конвекцией). Оно происходит без какого-либо побуждения извне. Изменение удельных весов является результатом того, что газы в камере нагреваются при горении и при соприкосновении с более нагретой стенкой (материалом) и охлаждаются, соприкасаясь с более холодной стенкой (материалом). В результате изменения температуры возникает геометрический напор и, как следствие его, естественное движение газов. Принудительное (вынужденное) движение возникает под действием сил, приложенных извне. Этими силами могут быть кинетическая энергия струй, выходящих из горелок или форсунок, а также разность давлений в начале и конце печной камеры или канала. Только естественное или только принудительное движение газов в печах наблюдается редко. В большинстве слу-  [c.30]

Характер движения жидкости различают и по тому, каким способом оно осуществляется. По этому признаку различают вынужденный поток жидкости, если движение ее осуществляется под воздействием внешней побудительной силы (насос, компрессор, вентилятор), и естественный (свободный) поток (так называемая естественная конвекция), если движение ее происходит вследствие разности плотностей, возникающей при разности температур жидкости, например при нагреве ее снизу. И в этом случае, как и при вынужденном потоке, движение жидкости может быть ламинарным или турбулентным.  [c.51]

Свободная см. Конвекция естественная  [c.603]

Процесс конвективного теплообмена зависит от природы возникновения движения жидкости. Различают вынужденную и естественную (свободную) конвекцию.  [c.59]

Конвекция — перенос тепла в процессе перемещения н перемешивания более нагретых и менее нагретых частиц. Такой процесс может иметь место в среде с подвижными частицами, т. е. в капельных жидкостях и газах. Обычно конвекция сопровождается обменом энергией между этими частицами — теплопроводностью. Такой процесс называют конвективным теплообменом. Его интенсивность зависит от состояния, скорости и характера движения жидкости. Перемещение жидкости может быть как естественным, так и вынужденным. Естественное (свободное) перемещение частиц возникает в результате разности плотностей более нагретых и менее нагретых объемов жидкостей в сосуде. Если прозрачный сосуд с капельной жидкостью подогревать снизу, то можно увидеть восходящие струйки жидкости. Они вызваны тем, что в нагретой части объема жидкости (у дна) плотность жидкости меньше плотности ее верхних слоев.  [c.55]

Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называют конвективным теплообменом-, он может быть свободным и вынужденным. Если движение рабочего тела вызвано искусственно (вентилятором, компрессором, мешалкой и др.), то такой конвективный теплообмен называют вынужденным. Если же движение рабочего тела возникает под влиянием разности плотностей отдельных частей жидкости от нагревания, то такой теплообмен называют свободным, или естественным, конвективным теплообменом.  [c.346]

При ламинарном движении большое значение приобретает естественная конвекция. Наличие ее меняет закон распределения скорости но сечению и интенсивность теплообмена. Если при ламинарном движении отсутствует естественная конвекция, то передача теплоты к стенкам канала осуш,ествляется только теплопроводностью. С появлением свободного движения теплота передается не только теплопроводностью, но н конвекцией.  [c.429]

Характер движения жидкости и границы ламинарного и турбулентного режима в основном зависят от температурного напора А/ = — t . При малых значениях температурного напора вдоль всей поверхности будет преобладать ламинарное движение жидкости. При больших температурных напорах будет преобладать турбулентный режим движения. В развитии естественной конвекции форма тела играет второстепенную роль. Основное значение для свободного потока имеет длина поверхности, вдоль которой происходит теплообмен.  [c.441]

Коэффициенты тепло- и массопереноса при испарении жидкости со свободной поверхности в условиях естественной конвекции рассчитываются по следующим с юрмулам А. В. Нестеренко  [c.512]

Естественная конвекция представляет собой свободное движение, происходящее вследствие разности плотностей нагретых и > о-лодных частиц жидкости, находящихся в поле действия сил тяжести В этом случае возникает подъемная сила, которая перемещает нагретые слои жидкости вверх, а охлажденные слои движутся вниз.  [c.39]

При малых скоростях движения жидкости и больших перепадах температур теплота переносится как за счет естественной, так и вынужденной конвекции. Если скорости движения велики, а температурные перепады незначительны, то влияние свободной конвекции на суммарный теплообмен также незначительно. Интенсивность теплоотдачи конвекцией зависит от характера течения жидкости в пограничном слое. При ламинарном режиме течения жидкости, когда линии тока параллельны теплоотдающей поверхности, интенсивность теплоотдачи невелика, слабо зависит от скорости течения жидкости и сильно изменяется при изменении теплофизических свойств теплоносителя.  [c.131]

Однако движение жидкости может происходить и без внешней побудительной силы, а за счет разности плотностей, возникающей вследствие разности температур в жидкости. Такое движение, например, возникает в помещении около нагретой батареи отопления или в сосуде с водой, подогреваемой снизу. Это движение жидкости называется свободным (естественная конвекция).  [c.230]

Теплоотдача при свободном движении. Если около нагретой стенки (рис. 6-8) находится газ (или жидкость) и температура стенки отличается от температуры газа, то ближайшие к стенке части газа нагреются и как более легкие поднимутся вверх, на их место подойдет более холодный газ в результате начнется циркуляция газа около стенки. Получающийся в этом случае теплообмен, при котором движение происходит за счет разности удельных весов холодного и нагретого газа или жидкости, называется теплообменом при свободном движении (естественной конвекции).  [c.242]

При кипении жидкостей в большом свободном объеме для невысокой тепловой нагрузки (для воды это соответствует At пузырчатое кипение) пара мало влияют на интенсивность теплообмена, можно пользоваться формулами для естественной конвекции (6-28) и (6-29).  [c.246]

Свободное движение или свободная (естественная) конвекция жидкости — движение под действием неоднородного поля массовых сил, приложенных к частицам жидкости внутри системы и обусловленных внешними полями (например, гравитационным).  [c.117]

Наличие температурного поля, в свою очередь, вызывает изменение плотности среды там, где имеется более высокая температура, плотность среды уменьшается, а поэтому элементы жидкости (газа) приходят в движешь, обусловленное самим температурным полем (естественная или свободная конвекция). Поэтому наряду с влиянием поля скоростей на температурное поле имеет место и обратное воздействие температурного поля на поле скоростей.  [c.312]

В свободном потоке (естественная конвекция) число Фруда учитывается, но преобразованием приводится к иному виду, поскольку причиной движения жидкости в данном случае является разность плотностей в смежных точках пространства кроме того, невозможно в свободном потоке измерять скорости.  [c.325]

Из графика следует, что при прочих равных условиях с увеличением Gr or комплекс растет, а следовательно, и число Нуссельта увеличивается. Последнее объясняется влиянием на коэффициент теплоотдачи естественной конвекции (свободного движения среды), вызывающей заметную турбулизацию потока и соответствующее увеличение коэффициента а.  [c.339]

Из кривых, приведенных на рис. 27.4, следует, что в переходной области, как и при ламинарном течении, большое влияние на теплообмен оказывает естественная конвекция чем больше число Грасгофа Gr, характеризующее интенсивность свободного движения, тем больше значение комплекса /( , а следовательно, и коэффициента теплоотдачи а. По мере возрастания скорости вынужденного течения интенсивность перемешивания жидкости возрастает и влияние свободной конвекции ослабевает. При развитом турбулентном течении свободное движение на теплообмен практически не оказывает влияния (на рис. 27.4 при Re >10 000 все кривые слились в одну линию).  [c.341]

Если в жидкость достаточно большого объема ввести нагретое тело, то внутри такого пространства возникнет естественная конвекция. В этом случае жидкость приходит в движение, обусловленное только наличием температурного поля и возникающим благодаря этому процессом теплообмена. Такое движение жидкости называется свободным. Причиной возникновения циркуляционных токов является различие в плотностях неодинаково нагретой жидкости.  [c.352]

Под конвекцией тепла понимают процесс передачи его из одной части пространства в другую перемещающимися макроскопическими объемами жидкости или газа. В зависимости от причины, вызывающей движение, конвекция может быть свободной (естественной) или вынужденной, происходящей за счет действия внешних сил. Естественное или свободное движение жидкости или газа, а следовательно, и конвекция тепла вызываются разностью удельных весов неравномерно нагретой среды принудительное движение осуществляется нагнетателями (насосами, вентиляторами, компрессорами и др.).  [c.135]

Второй случай соответствует взаимно перпендикулярному направлению вынужденной и естественной конвекции, он наблюдается в горизонтальных трубах. В поперечном сечении трубы под влиянием естественной конвекции возникает поперечная циркуляция жидкости. При нагревании жидкости у стенки возникают восходящие токи и нисходящие — в середине трубы при охлаждении —наоборот (рис. 8-8). В результате жидкость движется как бы по винтовой линии. За счет лучшего перемешивания жидкости теплоотдача в среднем увеличивается. При прочих равных условиях она будет больше, чем при совпадении вынужденного и свободного движения.  [c.206]

По природе возникновения различают два вида движения — свободное и вынужденное. Свободным называется движение, происходящее вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости в поле тяжести. Возникновение и интенсивность свободного движения определяются тепловыми условиями процесса и зависят от рода жидкости, разности температур, напряженности гравитационного поля и объема пространства, в котором протекает процесс. Свободное движение называется также естественной конвекцией. Вынужденным называется движение, возникающее под действием посторонних возбудителей, например насоса, вентилятора и пр. В общем случае наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур в отдельных точках жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.  [c.32]

Условия подобия процессов теплообмена при естественной конвекции. Процесс естественной или свободной конвекции возникает из-за различия плотностей нагретых и холодных частиц теплоносителя. Для большинства теплоносителей в том интервале температур, который обычно встречается на практике, зависимость плотности от температуры с достаточным приближением может рассматриваться как линейная. Так, если вдали от нагретого тела температура теплоносителя составляет /ж, а в некоторой точке  [c.53]

Общие уравнения. Конвективная теплопередача осуществляется путём переноса энергии перемещающимися в пространстве частями жидкости (капельной или газа). Теплообмен, достигаемый конвективной теплопередачей, является следствием переноса энергии перемещающимися конечными массами жидкости, сопутствуемого обязательно кондукцией, т. е. переносом энергии элементарными частицами носителя прн их соприкосновении (контакте) здесь коидукция осуществляется в условиях совершенно отличных, чем в твёрдых телах, она зависит от перемещения конечных масс носителя энергии. Различают конвекцию естественную (свободную) и вынужденную в первой перемещенпе масс жидкости есть следствие неравенства удельных весов жидкости в различных точках её за счёт неравенства в них температур во второй — перемещение масс жидкости определяется какими-нибудь внешними побудителями, например, напором вентилятора, циркуляционного насоса.  [c.490]

Различают свободную и вынужденную конвекцию. Конвекция, создаваемая принудительным способом (мешалкой, вентилятором и т д.), носит название вынужденной. Если же движение элементов объема среды вызвано наличием в ней температурных разностей, а следовательно, разных плотностей, то такая конвекция называется свободной или естественной. Она создается за счет того, что более холодные частицы жидкости или газа, имеющие большую плотность, под денстпнем гравитационного поля Земли опускаются вниз, а более нагретые под действием архимедовой силы иодип-маются вверх.  [c.76]

Естественная (свободная) конвекция возникает под действием неоднородного поля внешних массовых сил (сил гравитационного, инерционного, магнитного или электрического поля), приложенных к частицам жидкости внутри системы. Вьшужзенная конвекция возникает под действием внешних поверхностных сил, приложенных на границах системы, или под действием однородного поля массовых сил, действующих в жидкости внут]ти системы. Вынужденная конвекция может осуществляться также за счет запаса кинетической энергии, полученной жидкостью вне рассматриваемой системы.  [c.94]

Конвективный теплообмен свободном лотоке происходит в условиях местного нагревания или охлаждения теплоносителя. В строительной теплотехнике и многих других областях техники этот вид конвактивиого теплообмена играет большую роль. Например, нагревание комнатного воздуха печами или отопительными приборами, а также его охлаждение огдельны ми частями строительных ограждений (окна, двери, наружные стены и т. п.) происходит в условиях так называемой естественной конвекции, или свободного потока. Естествеввый конвектив-  [c.155]

КОНВЕКЦИОННЫЙ ТОК, перенос электрич. зарядов, осуществляемый перемещением заряж. макроскопич. тела. С точки зрения электронной теории, любой перенос зарядов в конечном счёте обусловлен конвекцией (перемещением) заряж. микрочастиц. Этим объясняется полная тождественность магн. св-в К. т. и тока проводимости (упорядоченного движения эл-нов, ионов и т.п.), установленная в опытах амер. физика Г. Роуланда (1879) и А. А. Эйхенвальда (1903). КОНВЕКЦИЯ (от лат. сопуес11о — принесение, доставка), перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками в-ва. Естественная (свободная) К. возникает в поле силы тяжести при неравномерном нагреве (нагреве снизу) текучих или сыпучих в-в. Нагретое в-во под действием архимедовой силы Р(Др — разность плотности нагретого в-ва и окружающей среды, V — его объём, д — ускорение свободного падения см. Архимеда закон) перемещается относительно менее нагретого в-ва в направлении, противоположном направлению силы тяжести. К. приводит к выравниванию темп-ры в-ва. При стационарном подводе теплоты к в-ву в нём возникают стационарные конвекц. потоки. Интенсивность К. зависит от разности темп-р между слоями, теплопроводности и вязкости среды.  [c.307]

При неодинаковой температуре в сечении возникает естественная конвекция и создается подъемная сила. Это влияет па п[)офиль скорости, причем характер изменения профиля скорости зависит от того как расположена труба, вертикально или горизонтально, и совпадают ли направления свободного и вынужденного движений или они противоположны. Для вертикальной трубы в случае совпадения направлений свободного и вынужденного течений (при охлаждении капельной жидкости и подаче ее сверху или нагреве жидкости и подаче ее снизу) у стенки трубы скорость возрастает, а в центре уменьшается (рис. 1.7, а). В случае противоположно направленных свободного и вынужденного течений (при охлаждении капельной жидкости и подаче ее снизу или нагревании жидкости и подаче ее сверху) скорость у стенки трубы становится меньше, а в центре больше (рис. 1.7, 6).  [c.21]

Естественная конвекция, или конвективный теплообмен, в свободном потоке возникает в связи с изменением плотности жидкости от нагревания. Кстественная конвекция имеет место у нагретых стен нечей, трубопроводов, у батарей центрального отопления,  [c.440]

Свободный, или естественный, теплообмен возникает в неравномерно нагретом газе или жидкости, находяш,ихся как в ограниченном, так и в неограниченном пространстве. Если тело имеет более высокую температуру, чем окружаюш,ая его жидкость, то слои жидкости, нагреваясь от тела, становятся легче и под действием возникаюш,ей подъемной силы поднимаются вверх, а на их место поступают из окружающего пространства более холодные слри. Поэтому и возникает естественная конвекция.  [c.440]

Режимы кипения. Различают по крайней мере три режима кипения жидкости в большом объеме естественная или свободная конвекция пузырчатое кипение пленочнбе кипение (при этом между пузырчатым и устойчивым пленочным кипением имеется переходный режим).  [c.468]

При свободном движении среды (естественная конвекция) когда движение осуществляется только за счет разности илотно стей, вызванной неравномерностью температурного ноля, кри терием подобия, определяющим расиространение теплоты в среде является критерий Грасгофа. Он находится из ироиз ведения числа Рейнольдса на отношение подъемной силы = = pgP к силе вязкости F  [c.82]

---

Комбинированные вынужденные и естественная конвекция — Combined forced and natural convection

В сочетании принудительной конвекции и естественной конвекции или смешанной конвекции происходит при естественной конвекции и принудительной конвекции механизмы действуют совместно для передачи тепла. Это также определяется как ситуации , когда оба давления силы и плавучие силы взаимодействуют. Насколько каждая форма конвекции способствует передаче тепла в значительной степени определяется поток, температурами , геометрия и ориентация. Природа жидкости также влияние, так как Numer Грассгофа увеличивается в жидкости , как при повышении температуры, но достигает максимума в некоторой точке для газа .

характеристика

Смешанные задачи конвекции характеризуются числом Грассгофа (для естественной конвекции) и числа Рейнольдса (для принудительной конвекции). Относительный эффект плавучести на смешанной конвекции может быть выражен через число Ричардсона :

рязнак равногрре2{\ Displaystyle \ mathrm {Ri} = {\ гидроразрыва {\ mathrm {Gr}} {\ mathrm {Re} ^ {2}}}}

Соответствующие масштабы длины для каждого безразмерного числа должны быть выбраны в зависимости от проблемы, например вертикальной длиной для числа Грасгоф и горизонтального масштаба для числа Рейнольдса. Номера Малый Ричардсон характеризуют поток доминировал за счет принудительной конвекции. Число Ричардсона выше , чем показывает , что проблема потока чисто естественная конвекция и влияние принудительной конвекции можно пренебречь. ря≈16{\ Displaystyle \ mathrm {Ri} \ примерно 16}

Как и в случае естественной конвекции, характер смешанного потока конвекции сильно зависит от переноса тепла (как плавучесть является одним из механизмов движения) и турбулентность эффекты играют существенную роль.

случаи

Из-за широкий спектр переменных , сотни статей были опубликованы для экспериментов с различными типами жидкостей и геометрии. Это разнообразие делает комплексный корреляционный трудно получить, и когда она есть, она, как правило , для очень ограниченных случаях. В сочетании вынужденные и естественная конвекция, однако, как правило , может быть описана в одном из трех способов.

Двумерный смешанная конвекция с помогающим потоком

Первый случай, когда естественная конвекция средство принудительной конвекции. Это видно, когда плавучее движение в том же направлении, что и вынужденного движения, тем самым ускоряя пограничный слой и повышение теплопередачи. Переход к турбулентности, однако, может быть задержан. Примером этого может быть вентилятор дует вверх на горячей плите. Поскольку тепло естественно поднимается, воздух вынужден вверх над пластиной добавляет к теплопередаче.

Двумерный смешанная конвекция с противным потоком

Второй случай, когда естественная конвекция действует в противоположном направлении от принудительной конвекции. Рассмотрим вентилятор нагнетания воздуха вверх через холодную пластину. В этом случае выталкивающая сила холодного воздуха, естественно, приводит к его падению, но воздух принуждает вверх выступает против этого естественного движения. В зависимости от числа Ричардсона, пограничный слой на холодной пластине имеет меньшую скорость, чем свободный поток, или даже ускоряется в противоположном направлении. Таким образом, этот второй смешанная конвекция случай, испытывает сильный сдвиг в пограничном слое и быстро переходит в состояние турбулентного потока.

Трехмерная смешанная конвекция

Третий случай называется трехмерной смешанной конвекции. Этот поток возникает, когда плавучее движение действует перпендикулярно к вынужденному движению. Пример такого случая является горячим, вертикальной Flate пластины с горизонтальным потоком, например, на поверхности солнечного теплового центрального приемника. В то время как свободный поток продолжает свое движение по направлению наложенного, пограничный слой на плите ускоряется в направлении вверх. В этом случае поток, плавучесть играет важную роль в ламинарно-турбулентного перехода, в то время как скорость наложены может подавлять турбулентность (ламинаризации)

Расчет общей теплопередачи

Простое добавление или вычитание коэффициентов теплопередачи для принудительной и естественной конвекции дадут неточные результаты для смешанной конвекции. Кроме того, как влияние плавучести на передаче тепла иногда даже превышает влияние свободного потока, смешанная конвекцию не следует рассматривать как чисто вынужденную конвекцию. Следовательно, проблема конкретных корреляции требуется. Экспериментальные данные предположил, что

NUзнак равно(NUеорсеdN+NUNaTUрaLN)1/N{\ Displaystyle \ mathrm {Nu} = (\ mathrm {Nu} _ {\ mathrm {вынуждены}} ^ {п} + \ mathrm {Nu} _ {\ mathrm {натуральный}} ^ {п}) ^ {1 / п}}

можно описать площадь усредненной теплопередачи.

Приложения

Комбинированное вынужденная и естественная конвекция часто наблюдается при очень высокой мощности выходных устройств, где принудительная конвекция не достаточно, чтобы рассеять все тепло необходимое. В этот момент, сочетающий в себе естественную конвекцию с принудительной конвекцией часто обеспечивают желаемые результаты. Примеры таких процессов являются технологиями ядерного реактора и некоторые аспекты электронного охлаждения.

Рекомендации

<img src=»https://en.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1×1″ alt=»» title=»»>

Конвекция вынужденная, естественная — Справочник химика 21

    При вынужденном движении теплоносителя коэффициент теплоотдачи от поверхности теплообмена к жидкости, которая течет с заданной скоростью, определяется критериями Рейнольдса и Прандтля. Критерий Грасгофа может быть введен только в случаях, когда на теплообмен заметное влияние оказывает естественная конвекция. [c.42]

    В теплообменной аппаратуре химических производств часто встречаются такие процессы передачи тепла, при которых среда не изменяет своего агрегатного состояния. Различного рода подогреватели, межступенчатые холодильники компрессорных машин могут служить примерами аппаратов, в которых происходит нагрев либо охлаждение газа или жидкости, не сопровождающиеся изменением агрегатного состояния теплоносителей. Обычно такой теплообмен сопровождается какой-либо формой движения теплоносителя, и его интенсивность, таким образом, определяется интенсивностями процессов конвекции и теплопроводности. Если движение теплоносителя происходит за счет перепада давления, создаваемого насосом, вентилятором, компрессором и тому подобными устройствами, то конвекцию принято называть вынужденной. Когда же движение возникает за счет массовых сил, вызванных, например, перепадом температур, то конвекция называется естественной. [c.98]

    УР+Рй (вынужденная конвекция) о) (естественная конвекция) [c.313]

    В работе [109] выполнен обзор опубликованных результатов исследований вынужденной, естественной и смешанной конвекции около круглых цилиндров и сделана попытка обобщить имеющиеся экспериментальные данные для трех случаев взаимного направления действия механизмов конвекции одинакового, противоположного и поперечного. На основании описанных выше результатов были получены условия, при которых влияние естественной конвекции на число Нуссельта для вынужденной конвекции пренебрежимо мало, (скажем, меньше 5%). Влиянием естественной конвекции можно пренебречь, если [c.601]

    Отметим, что величина г пропорциональна скорости и а. Влияние вынужденной конвекции на естественную, которое выражается граничным условием для и на бесконечности, учитывается в анализе с помощью функций Риф. [c.105]

    В критерий Галилея пе входит скорость потока, а критерий Архимеда отражает разность плотностей жидкости в двух различных точках потока, т. е. при естественной конвекции. Обычно одновременное равенство различных критериев подобия в изучаемых потоках невозможно, и поэтому прн моделировании учитывают лишь те критерии, которые отражают влияние основных сил, действующих в потоке. Так, при перекачивании жидкости насосом по трубопроводу влияние силы тяжести можно не учитывать и исключить поэтому из рассмотрения критерий Фруда. Обычно общий вид зависимости при вынужденном движении жидкости по трубопроводу имеет вид [c.49]

    Соотношение (4) позволяет использовать уравнения, описывающие теплообмен при вынужденной конвекции, также и для случая естественной или смешанной конвекции, по крайней мере для нахождения хорошего первого приближения. Уравнение (4) показывает, что относительное направление вынужденной и естественной конвекций (одинаковое или противоположное направление скоростей) не влияет на общий коэффициент теплоотдачи. Этот вывод согласуется с экспериментальными данными, за исключением узкой области неустойчивости в случае противоположного направления скоростей, в которой Ке(ог и Ог одного порядка величины. [c.93]

    Излучение имеет место, когда энергия в виде электромагнитных волн в инфракрасной и видимой части спектра распространяется от источника нагрева. Теплопроводность есть передача энергии между колеблющимися молекулами, причем центры, относительно которых они колеблются, остаются неподвижными. Конвекция — как естественная, так и вынужденная — связана со столкновениями молекул различной степени возбуждения при их перемещении [1]. [c.115]

    Вертикальная пластина высотой 1 м, имеющая температуру 200 °С, расположена в воздухе с температурой 27 °С. Вдоль ее поверхности создается направленный вниз равномерный воздушный поток со скоростью от 0,01 до 1 м/с. Найти, какой режим течения (вынужденной, естественной или смешанной конвекции) создается при указанных предельных значениях скорости. Предложить простой критерий для определения положения точки отрыва, предполагая, что при противодействующих механизмах конвекции на поверхности пластины происходит отрыв потока. [c.662]

    Термоанемометр диаметром 10- мм, имеющий температуру 320 °С, расположен в воздухе с температурой 20 °С. Скорость поперечного воздушного потока изменяется от 1 до 10 см/с. Найти режим конвекции (вынужденная или естественная) для этих двух предельных значений скорости. [c.662]

    Как при вынужденной, так и при естественной конвекции процесс передачи тепла описывается системой дифференциальных уравнений, состоящей из уравнений сохранения массы, импульса и энергии. Однако интегрирование этой системы сопряжено с большими математическими трудностями. В настоящее время имеются аналитические решения только для нескольких простейших случаев. Численное решение этой системы также очень сложно, поэтому появление ЭВМ не привело к сколько-нибудь значительным успехам в этой области. До настоящего времени наиболее плодотворным для решения этих задач является подход, основанный на сочетании теоретических и экспериментальных исследований. [c.98]

    Особенности задачи теплообмена в ТЭ непосредственно связаны с принятой в том или ином ЭХГ схемой термостатирования, а также и с общей схемой и конструкцией ЭХГ. Возможны различные пути вывода теплоты из зоны реакции теплопроводностью по элементам конструкции (а в некоторых схемах — далее по ребрам в окружающую среду), вынужденной и естественной конвекцией жидкого электролита, вынужденной конвекцией движущихся реагентов и, наконец, испаряющейся водой. В зависимости от схемы и конструкции ЭХГ и использованной схемы термостатирования обычно происходит либо полное исключение того или иного канала съема теплоты, либо настолько существенное уменьшение его влияния, что им можно пренебречь. В наиболее распространенной схеме термостатирования жидким проточным электролитом теплота удаляется в основном вынужденной конвекцией, эффектами естественной конвекции и теплопроводности можно пренебречь. Наиболее просто система термостатирования построена в ЭХГ фирмы Сименс [4.1] в них удаление как теплоты, так и воды осуществляется только проточным электролитом, поэтому имеется только один канал съема теплоты, и задача построения системы термостатирования в этих разработках свелась в основном к осуществлению мероприятий, обеспечивающих равномерную раздачу [c.172]

    Колебания воздуха, окружающего каплю. Влияние конвекции (вынужденной и естественной) на горение жидких капель будет рассмотрено ниже. Оказалось, что колебания воздуха, окружающего каплю, также оказывают влияние на ее горение. Увеличение константы испарения под действием колебаний воздуха, окружающего каплю, ограничено некоторым пределом и описывается следующей форм

Конвекция — ТеплоВики — энциклопедия отопления

Материал из ТеплоВики — энциклопедия отоплении

Конвекция (от лат. convectio — принесение, доставка), перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. Различают естественную, или свободную, и вынужденную.

Описание процеса

Конвекция широко распространена в природе: в нижнем слое земной атмосферы, морях и океанах, в недрах Земли, на Солнце (в слое до глубины ~20-30% радиуса Солнца от его поверхности) и т.д. С помощью конвекции осуществляют охлаждение или нагревание жидкостей и газов в различных технических устройствах.

При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). Данное явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха.

Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя. Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона

q = hA (T_W — T₈),

где q — тепловой поток (измеряемый в ваттах), A — площадь поверхности источника тепла (в м²), T_W и T₈ — температуры источника и его окружения (в кельвинах). Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды, начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в единицах Вт/(м²·К).

Величина h неодинакова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в воздушном потоке (вынужденная конвекция). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается. Турбулентность — это сложное движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих молекулярные.

Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой. Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса.

Конвекцию необходимо учитывать при проектировании теплообменников, систем кондиционирования воздуха, высокоскоростных летательных аппаратов и многих других устройств. Во всех подобных системах одновременно с конвекцией имеет место теплопроводность, причем как между твердыми телами, так и в окружающей их среде. При повышенных температурах существенную роль может играть и лучистый теплообмен.

Естественная конвекция

Естественная конвекция возникает при неравномерном нагреве (нагреве снизу) текучих или сыпучих веществ, находящихся в поле силы тяжести (или в системе, движущейся с ускорением). Вещество, нагретое сильнее, имеет меньшую плотность и под действием архимедовой силы FA перемещается относительно менее нагретого вещества. Сила FA = Dr·V (Dr — разность плотностей нагретого вещества и окружающей среды, V — объём нагретого вещества). Направление силы FA, а следовательно, и конвекция для нагретых объёмов вещества противоположно направлению силы тяжести. Конвекция (приводит к выравниванию температуры вещества. При стационарном подводе теплоты к веществу в нём возникают стационарные конвекционные потоки, переносящие теплоту от более нагретых слоев к менее нагретым. С уменьшением разности температур между слоями интенсивность конвекции падает. При высоких значениях теплопроводности и вязкости среды конвекция также оказывается ослабленной. На конвекции ионизованного газа (например, солнечной плазмы) существенно влияет магнитное поле и состояние газа (степень его ионизации и т.д.). В условиях невесомости естественная конвекция невозможна.

Принудительная конвекция

При вынужденной конвекция перемещение вещества происходит главным образом под воздействием какого-либо устройства (насоса, мешалки и т.п.). Интенсивность переноса теплоты здесь зависит не только от перечисленных выше факторов, но и от скорости вынужденного движения вещества.

Вынужденная конвекция — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Вынужденная конвекция

Cтраница 3

При вынужденной конвекции существенную роль играет характер движения потока жидкости или газа. При малых скоростях частицы жидкости или газа движутся по параллельным траекториям, направление которых совпадает с основным направлением потока. Такой режим потока называется ламинарным и при нем скорость в любом сечении трубы, являясь максимальной по оси ее, по мере приближения к стенкам плавно снижается, приближаясь к нулю у самой стенки. Теплообмен между потоком и стенкой при ламинарном режиме осуществляется в основном за счет теплопроводности и естественной конвекции среды. При обычно малой теплопроводности жидкостей и газов соответствующие значения коэффициентов теплоотдачи невелики.  [31]

Примером вынужденной конвекции может служить перенос тепла от горячей воды к внутренней поверхности батареи водяного отопления. Движение горячей воды по секциям батареи происходит под действием работы водяных насосов. От внешней поверхности батареи к окружающему воздуху помещения тепло передается в условиях свободной конвекции. Движение воздуха около внешней поверхности батареи осуществляется вследствие разности плотностей нагретого ( около поверхности батареи поднимающегося вверх) и холодного ( вдали от поверхности опускающегося вниз) воздуха.  [32]

При вынужденной конвекции лучистым теплообменом часто пренебрегают. Найденное значение у подставляют в формулу коэффициента теплопередачи.  [33]

При вынужденной конвекции перенос частиц жидкости и газа и связанный с этим перенос всех видов энергии в потоке зависит от режима течения жидкости или газа, условий возникновения движения, физических свойств веществ, геометрических условий, в которых протекает процесс, и др. Тепловое взаимодействие между поверхностью твердого тела ( стенкой) и жидкостью или газом, называемое теплоотдачей, и механическое взаимодействие, вызывающее необратимое падение статического давления в потоке жидкости или газа, в значительной мере определяются характером движения среды.  [34]

Различают вынужденную конвекцию, обусловленную действием внеш.  [35]

Различают естественную и вынужденную конвекцию. Естественная конвекция возникает за счет того, что в неравномерно нагретой жидкости разность температур приводит к неравномерному распределению плотности, а следовательно, и к появлению подъемной силы, обусловливающей движение жидкости. Конвективный теплообмен, возникающий под действием внешних сил, называется вынужденной конвекцией.  [36]

Теплообмен вынужденной конвекцией при течении прозрачной жидкости в канале в настоящее время изучен достаточно хорошо. В случае вынужденной конвекции при течении излучающей, поглощающей и рассеивающей жидкости при температурах, встречающихся в технических приложениях, уравнения неразрывности и движения остаются неизменными по причинам, изложенным в гл. В уравнении энергии, однако, появляется дополнительный член — дивергенция вектора плотности потока результирующего излучения.  [37]

Естественная и особенно вынужденная конвекция представляет собой гораздо более действенные механизмы переноса массы, а стало быть, и тепла в жидкости.  [38]

Рассматривается задача вынужденной конвекции. При наличии значительных подъемных сил следует дополнительно включить в анализ число Граогофа. Читателя, интересующегося подобными задачами, отсылаем к учебникам и справочным руководствам по теплообмену.  [39]

Для случая вынужденной конвекции, когда 6даф становится меньше, уменьшается и / Моз, составляя 0 1 — 1 0 с и менее.  [40]

В случае вынужденной конвекции заметная интенсификация процесса теплоотдачи наблюдается, когда среднее значение колебательной скорости в акустической волне приближается к величине поступательной скорости потока.  [41]

В случае вынужденной конвекции также существует аналогичная точка кризиса кипения. Величина максимального теплового потока зависит от скорости потока, степени недогрева и LID. Мы можем качественно проанализировать этот процесс, рассмотрев два предельных случая, показанные на рис. 44: один — случай малых LID, другой — больших L / D. В случае труб с малым LID кризис может иметь место при очень малых паросодержаниях смеси на выходе. Если принять, что 100 % паросодержания может быть достигнуто, то ясно, что в случае вдвое большего значения LID при том же расходе и одинаковых условиях на выходе в трубу достижимая величина qIA будет вдвое меньше.  [43]

В условиях вынужденной конвекции, как следует из уравнения ( 216), определяющим комплексом является критерий Рей-нольдса и поэтому интенсивность теплопередачи конвекцией зависит от скорости движения потока относительно поверхности нагреза.  [45]

Страницы:      1    2    3    4

7.4. Теплоотдача при вынужденной конвекции

7.4.1.Теплоотдача в прямолинейных каналах

Интенсивность теплоотдачи в прямых гладких каналах при вынужденной конвекции определяется в основном режимом движения теплоносителя.

Ламинарный режим. При ламинарном движении необходимо учитывать влияние естественной конвекции. Наличие ее меняет закон распределения скорости в сечении, что сказывается на интенсивности теплообмена.

Для определения коэффициента теплоотдачи при ламинарном течении теплоносителя в прямых гладких трубах при (l/d)>50 используется критериальное уравнение М.А. Михеева [6]:

^. (7.15)

Здесь индекс „ср“ у критериев обозначает, что в качестве определяющей температуры принята средняя по длине канала температура теплоносителя. Критерий же Pr_cm определяется для теплоносителя при температуре стенки. Определяющим размером в этом уравнении является эквивалентный диаметр. Отношение Pr_cp/Pr_cm в уравнениях (7.14, 7.15) учитывает влияние на теплоотдачу направления теплового потока. Так как величина критерия Прандтля для жидкостей с увеличением температуры уменьшается, то при Т_cm>T_m отношение Pr_cp / Pr_cm будет больше единицы, в случае T_m> T_cm это отношение меньше единицы. Отсюда при прочих равных условиях теплоотдача интенсивнее в случае направления теплового потока от стенки к теплоносителю. Это явление можно объяснить меньшей толщиной теплового пограничного слоя вследствие влияния температуры на вязкость теплоносителя.

Турбулентный режим. При турбулентном режиме движения теплоноситель в канале весьма интенсивно перемешивается, и естественная конвекция не оказывает влияния на теплоотдачу. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном движении повсеместно используется критериальное уравнение М.А. Михеева [6].

(7.16)

Для воздуха эта формула упрощается:

(7.17)

Индексы у критериев теплового подобия „ cp“ и „ d “ показывают, что за определяющую температуру принята средняя температура теплоносителя по длине канала, а определяющий размер ─ эквивалентный диаметр канала. Уравнения (7.16) и (7.17) применимы для прямых гладких труб при (l/d)>50 в пределах Re = 110⁴ … 510⁵ и Pr = 0,6 … 2500.

Для переходного режима (от ламинарного к турбулентному) надежных критериальных уравнений нет. Для определения приближенного коэффициента теплоотдачи в этой области можно использовать уравнение, рекомендованное в [6].

(7.18)

где К определяют из табл. 7.1.

Т а б л и ц а 7.1

Re	2300	2500	2700	3000	3500	4000
K	3,6	4,9	5,9	7,5	10	12,2
Re	5000	6000	7000	8000	9000	10000
K	16,5	20	24	27	30	33

7.4.2.Теплоотдача на начальном участке канала

При вынужденном движении теплоотдача по длине канала неодинакова. Непосредственно у входа в канал коэффициент теплоотдачи имеет максимальное значение, на последующих участках длины он резко убывает, асимптотически приближаясь к некоторому постоянному значению,

рис. 7.5а. Такая закономерность объясняется полем скоростей теплоносителя, (см. рис. 7.5 b).

Рис. 7.5

На входе в канал скорость теплоносителя одинакова по всему его сечению, динамический пограничный слой только начинает обозначаться, отсюда максимальное значение теплоотдачи. Далее, по каналу, скорость по сечению изменяется, толщина пограничного слоя растет, а коэффициент теплоотдачи падает. На некотором расстоянии от входа в канал скоростное поле стабилизируется, δ_д принимает постоянное значение, постоянным становится и коэффициент теплоотдачи α .

Участок канала от входа до сечения стабилизации температурного поля теплоносителя называют участком тепловой стабилизации.

Экспериментально установлено, что для горизонтальных каналов длина участка тепловой стабилизации l_cm≈ 50d_экв. Для определения коэффициента теплоотдачи на участке стабилизации используются те же уравнения, но с введением поправочного коэффициента , т.е.

α_cm= ε_l α .

Величина поправочного коэффициента ε_l определена экспериментально в зависимости от длины начального участка канала и значения Re, (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Фактор
l/d	1	2	5	10	15	20	30	40	50
Re=2000	1,90	1,70	1,44	1,28	1,18	1,13	1,05	1,02	1,00
Re=20000	1,51	1,40	1,27	1,18	1,13	1,10	1,05	1,02	1,00
Re=200000	1,28	1,22	1,15	1,10	1,08	1,06	1,03	1,02	1,00

7.4.3. Теплоотдача в изогнутых каналах

При движении теплоносителя в изогнутых каналах (отводах, коленах, змеевиках) неизбежно возникает центробежный эффект, характер движения нарушается: поток теплоносителя отжимается к внешней стенке, отчего в поперечном сечении возникает так называемая в т о р и ч н а я ц и р к у-

ля ц и я, рис. 7.6.

Это приводит к значительному повышению коэффициента теплоотдачи по сравнению с его значением для прямых каналов. Теплоотдача в таких каналах рассчитывается по формулам для прямолинейных каналов с последующим умножением на поправочный коэффициент. Для змеевиковых труб значение ε_R определяется по эмпирической формуле:

, (7.19)

где d – диаметр трубы;

R – радиус кривизны канала.

Рис. 7.6

7.4.4. Теплообмен потока с преградами

При обтекании тел, стоящих на пути движения теплоносителя, форма их поверхности определяет условия формирования пограничного слоя и поэтому существенно влияет на интенсивность теплоотдачи. На рис. 7.7 а показана картина течения при поперечном обтекании цилиндра (трубы). В месте натекания потока на поверхность образуется пограничный слой, толщина которого по мере движения теплоносителя вдоль образующей цилиндра увеличивается. Затем происходит отрыв потока, и образуются вихри.

С изменением характера обтекания меняется и коэффициент теплоотдачи. На рис. 7.7 б показано изменение относительного значения коэффициента теплоотдачи по окружности цилиндра. Здесь — местное значение коэффициента теплоотдачи, α — среднее его значение по контуру. Как видно из рисунка, в месте набегания потока на цилиндр ( = 0) коэффициент максимален. С увеличением угла теплоотдача резко падает и при = 90 …100^о, т.е. в области отрыва потока от поверхности, имеет минимальное значение. При  120^о интенсивность теплоотдачи возрастает вследствие вихреобразований.

а б

Рис. 7.7

Если теплоноситель натекает на цилиндр под прямым углом к его оси, то среднее значение коэффициента теплоотдачи можно вычислить с использованием критериального уравнения, [4].

, (7.20)

Которое справедливо в пределах 10³ < Re < 2  10⁵ и 0,6  Pr  8  10³.

Другие критериальные уравнения, описывающие конвективный теплообмен при взаимодействии теплоносителя с преградами, приведены в Приложении табл. 13.

7.4.5. Теплоотдача в газоходах

Часто теплотехнические задачи состоят в необходимости определения коэффициентов теплоотдачи в каналах различных форм и размеров, например, газоходах котельных установок, в цилиндрах и теплообменниках поршневого компрессора, в коллекторах и глушителях ДВС и т.п. При этом теплоноситель может быть в виде а э р о з о л е й. Аэрозоль – это коллоидная система, состоящая из газовой среды, в которой взвешены твердые или жидкие частицы (дым, туман).

Теплоотдачу аэрозолей в прямых гладких каналах можно определить по критериальному уравнению, рекомендованному в работе [12],

, (7.21)

где Nu_a,d – критерий Нуссельта аэрозоли,

Nu_г,d – критерий Нуссельта чистого газа;

–объемная доля частиц в газе;

c_m и ρ_mр – массовая теплоемкость и плотность частиц, соответственно;

c_г и ρ_г – массовая теплоемкость и плотность газа, соответственно.

Для газоходов в виде коротких каналов при определении критерия Нуссельта чистого газа при Re> 10⁴ можно использовать выражение:

(7.22)

Здесь Nu_m,d – среднее по длине канала значение Нуссельта. За определя -ющую температуру принята температура теплоносителя на входе в канал, за определяющий размер – d_экв. В криволинейных газоходах интенсивность теплоотдачи возрастает, найденное по уравнению (7.22) значение α нужно умножить на поправочный коэффициент ε_R (7.19). В сечениях газоходов, где теплоноситель меняет направление течения на угол 90^о и более, значение коэффициента теплоотдачи возрастает примерно в 1,8 раза.

В некоторых типах газоходов теплоносителю приходится омывать трубчатые теплообменники. Такие теплообменники, как правило, выполняются в виде пучков труб с нормальным расположением к направлению движения теплоносителя. Различают коридорное и шахматное расположение труб в пучке, рис. 7.8.

Первый ряд труб в обоих пучках по условиям обтекания близок к одиночной трубе, трубы же последующих рядов находятся в других условиях. Если для шахматного пучка (см.рис.7.8 б) характер обмывания последующих рядов труб мало отличается от труб первого ряда, то для коридорного (см. рис. 7.8 а) эти отличия весьма существенны.

а б

Рис. 7.8

В коридорных пучках все трубы второго и последующих рядов находятся в вихревой зоне впереди стоящих труб, причем циркуляция теплоносителя в вихревой зоне слабая, так как поток в основном проходит в продольных зазорах между трубами . Поэтому в коридорных пучках как лобовая, так и кормовая части труб омываются со значительно меньшей интенсивностью, чем те же части одиночной трубы или труб первого ряда. В шахматных пучках характер обтекания глубоко расположенных труб качественно мало отличается от характера обтекания труб первого ряда.

Многочисленные исследования теплоотдачи пучков труб показали, что средняя теплоотдача первого и последующих рядов труб различна и определяется первоначальной турбулентностью потока. Начиная с третьего ряда, средняя теплоотдача стабилизируется. Если для третьего ряда теплоотдачу принять за 100 %, то для первого ряда шахматных и коридорных пучков она составит всего лишь 60 %, а для второго ряда — 70 % шахматного и 90 % коридорного пучков.

Теплоотдача пучков труб зависит также от расстояния между трубами, которое принято выражать в виде безразмерных характеристик s₁/d и s₂/d, называемых соответственно о т н о с и т е л ь н ы м п о п е р е ч н ы м

и п р о д о л ь н ы м ш а г а м и.

Согласно [4], при режиме течения теплоносителя, соответствующем Re = 10³…10⁵, средний коэффициент теплоотдачи, начиная с третьего ряда пучков труб, может быть найден по уравнению:

(7.23)

где для шахматных пучков К = 0,41, а = 0,6 и для коридорных – К = 0,26, а =0,65.

Поправочный коэффициент ε_s учитывает влияние относительных шагов. Для коридорного пучка ε_s = ( s₂ / d )^-0,15; для шахматного при s₁/s₂<2

ε_s = ( s₁ / d )^1/6 и при s₁/s₂ >2. ε_s = 1,2.

В формуле (7.23) определяющим размером является внешний диаметр труб d. Скорость теплоносителя подсчитывается по самому узкому поперечному сечению ряда пучка. За определяющую температуру принята температура теплоносителя перед соответствующим рядом пучка.

Для других режимов течения теплоносителя критериальные уравнения приведены в табл. 14 Приложения.