Билет n 3

1 Вопрос Равновесное и неравновесное состояние термодинамической системы

Термодинамическая система может находиться в различных соотношениях со средой.

Неравновесное состояние, это при котором в системе происходит или может в любой момент начаться одностороннее направленное изменение её параметров может вследствие несоответствия их с параметрами состояния среды.  Своеобразной разновидностью неравновесного является стандартное (установившиеся) состояние. В нем система находится как бы в покое, без видимого изменения её параметров благодаря воздействию внешних по отношению к данной системе процессов.

Равновесным является такое состояние системы, при котором действие процессов внутри системы приводит к её выходу из равновесия, полностью компенсируется противодействием процессов, идущих во внешней среде.

Необходимым условием равновесия является равенство соответствующих интенсивных параметров и химических потенциалов компонентов во всех частях системы. Существуют различные виды равновесных состояний:

— стабильная, при которой система устойчива как к бесконечно малым, так и к конечным изменениям параметров её состояния, т.е. для вывода системы из равновесия необходимо затратить работу— устойчивое— подвижное (мобильное)— неустойчивое (лабильное)  Таким образом, если хотя бы один из параметров состояния изменяется, то изменяется и состояние системы, т.е. происходит термодинамический процесс, который представляет совокупность изменяющихся состояний.

2 Вопрос Методы расчетов и определения температуры горения

3 Вопрос Свободная и вынужденная конвекция жидкости. Основной закон конвективного теплообмена.

Различают свободную и вынужденную конвекцию. В случае свободной конвекции движение в рассматриваемом объеме жидкости возникает за счет неоднородности в нем массовых сил. Например, если жидкость с неоднородным распределением температуры, и, как следствие, с неоднородным распределением плотности находится в поле земного тяготения, то в ней возникает свободное гравитационное движение.

Вынужденное движение рассматриваемого объема жидкости происходит под действием внешних поверхностных сил, приложенных на его границах, за счет предварительно сообщенной кинетической энергии (например, за счет работы насоса, вентилятора, ветра).

Вынужденное движение может сопровождаться свободным. Чем больше разница температур отдельных частиц среды и чем меньше скорость вынужденного движения тем больше влияние Относительного движения. Но при больших скоростях вынужденного движения — влияние свободной конвекции становится пренебрежимо мало.

Понятие конвективного теплообменаохватывает процесс теплообмена при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Под конвекцией теплоты понимают перенос теплоты при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция возможна только в подвижной среде, здесь перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Если в единицу времени через единицу поверхности нормально к ней проходит масса жидкости , где— скорость жидкости, а— ее плотность, то вместе с ней переносится энтальпия i:

.                                                                                                                       (1)

Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, т.к. при движении жидкости или газа неизбежно происходит соприкосновение отдельных частиц среды, имеющих различные температуры. В результате конвективный теплообмен описывается уравнением

.                                                                                   (2)

Здесь является локальным (местным) значением плотности теплового потока за счет конвективного теплообмена. Первое слагаемое в правой части уравнения (2) описывает перенос теплоты теплопроводностью, второе – конвекцией.

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН— необратимый процесс переноса теплоты в движущихся средах с неоднородным полем темп-ры, обусловленный совместным действием конвекции и молекулярного движения.

Н

аиб. важный для практики случай — К. т. между движущейся средой и поверхностью её раздела с др. средой (твёрдым телом, жидкостью или газом) — наз. конвективной теплоотдачей. Вследствие вязкости движущейся среды она «прилипает» к поверхности раздела, в результате местная скорость среды относительно этой поверхности равна нулю. Поэтому плотность конвективного теплового потока, подходящего к поверхности раздела (или отходящего от неё), может быть описана с помощью закона теплопроводности (закона Фурье):

где — коэф. молекулярной теплопроводности, Т — температура среды. Еслихарактеризует физ. свойства среды, то градиент температуры формируется под действием конвективного движения среды. Чем интенсивнее конвекция, тем больше градиент температуры.

studfile.net

Конвекция свободная, вынужденная — Энциклопедия по машиностроению XXL

Конвекция свободная, вынужденная 14  [c.230]

Вынужденной конвекцией называется движение жидкости, вызванное действием внешних поверхностных сил, создаваемых работой насосов, компрессоров и т. д. В отличие от свободной вынужденная конвекция может и не сопровождаться теплообменом (изотермическое течение) в этом случае осуществляется конвективный перенос массы. Вынужденная конвекция в общем случае может сопровождаться и свободной конвекцией. Доля в переносе теплоты свободной конвекцией тем больше, чем больше разница температур отдельных частей среды и чем меньше скорость вынужденного движения.  [c.194]

Интенсивность теплоотдачи зависит от многих факторов и в частности от вида конвекции (свободная или вынужденная), режима течения жидкости (ламинарный или турбулентный), физических свойств среды (плотности р, теплопроводности X, динамической вязкости (Г, массовой удельной теплоемкости с, коэффициента объемного расширения  

[c.94]

То /(уа) свободной конвекции на вынужденное течение несущественно.  [c.104]

В этом параграфе будет рассмотрено свободное гравитационное течение для наиболее простых форм поверхности твердого тела (вертикальная плита, горизонтальный цилиндр) Предполагается, что объем жидкости настолько велик, что свободное движение, возникающее у других тел, расположенных в этом объеме, не сказывается на рассматриваемом течении. Как и при вынужденной конвекции, свободное движение жидкости может быть как ламинарным, так и турбулентным.  [c.232]

Условия подобия процессов конвективного теплообмена при совместном свободно-вынужденном движении теплоносителя. Анализ условий подобия раздельно для случаев вынужденного движения и свободной конвекции был проведен выше. На практике, однако, встречаются также случаи, когда одновременно с вынужденным движением в системе под действием подъемных сил развиваются токи свободной конвекции, т. е. имеет место свободно-вынужденное течение теплоносителя. В таком более сложном случае для выполнения условий подобия процессов необходима инвариантность (одинаковость) уже не двух, а трех определяющих чисел подобия Рейнольдса Re, Грасгофа Gr и Прандтля Рг. Соответствующее уравнение подобия для теплоотдачи при совместном свободно-вынужденном движении принимает вид  

[c.61]

Физические свойства жидкости, входящие в числа Ре и Nu, а также выбираются при температуре, равной полусумме температур стенки и средней по длине трубы температуры жидкости Что касается оговорки по поводу отсутствия влияния силы тяжести (свободной конвекции) на вынужденное течение, то ее можно  [c.128]

Для начала кипения необходимо несколько перегреть теплоноситель относительно температуры насыщения. Этот перегрев определяется давлением, температурой недогрева теплоносителя, скоростью среды, материалом и характером поверхности, смачиваемостью и т. п. Кипение принято подразделять на пузырьковое и пленочное. Процессы кипения подразделяют также по типу конвекции и выделяют кипение при свободной, вынужденной, смешанной конвекции. Термины развитое и неразвитое относят к процессам пузырькового кипения. Когда пузырьковое кипение и чистая конвекция попеременно сменяют друг друга, процесс теплообмена становится неустойчивым.  

[c.139]

Разница в результатах расчета критической тепловой нагрузки по формуле(9) для случаев свободной конвекции и вынужденного движе-  [c.73]

Исследование влияния вибрации и вращения поверхности нагрева. Выше было показано влияние искусственной турбулизации потока на интенсивность конвективного теплообмена. Создание закрученного потока повышает скорость движения потока жидкости, что приводит к увеличению интенсивности теплоотдачи. Такого же увеличения скорости можно достигнуть не за счет движения среды, а за счет движения поверхности теплообмена. Так, при вращении цилиндра в неограниченном объеме частицы жидкости вследствие вязкости вовлекаются в круговое движение. Частицы жидкости, находящиеся на поверхности, движутся с такой же скоростью, с какой вращается контур цилиндра по мере удаления от поверхности скорость движения жидкости уменьшается, а вдали от нее практически отсутствует. Вращение цилиндров производится электромотором через шкив или мотор постоянного тока, позволяющие изменять скорость вращения. Вращение цилиндра приводит к значительному увеличению скорости обтекания цилиндра, а следовательно, его теплоотдачи. При этом увеличение скорости не сопровождается повышением гидравлического сопротивления, определяемого формой тела. Опытное исследование теплоотдачи одиночных цилиндров при их вращении и вибрации проводилось в ряде работ Л. 3, 4] в условях свободной, вынужденной, а также при одновременном действии обоих видов конвекции. Общий эффект теплоотдачи определяется всеми указанными факторами. При обработке опытных данных имеется возможность сохранить вид прежних расчетных уравнений и с учетом интенсификации конвективного теплообмена дополнительной скоростью.  

[c.223]

При таком физическом обосновании постановки задачи ее решение приобретает определенную направленность и однозначность. Построение расчетных формул по сложному переносу резко упрощается, если рассматривать две зоны одну зону с превалирующим влиянием инерционной силы, где гравитационная сила является сопутствующей, и другую, в которой превалирующее значение имеет свободная конвекция, а вынужденная является сопутствующей.  [c.283]

Температурные поля в движущейся среде существенным образом зависят от полей скорости. С другой стороны, те.мпературное поле вызывает нарушение плотности среды, в результате чего возникает конвективное движение частиц, называемое свободной конвекцией. Наряду со свободной конвекцией различают вынужденную конвекцию, когда движение среды обусловливается внешним механическим или другим воздействием (нагнетающее или всасывающее действие насосов, компрессоров, вентиляторов и пр.). В общем случае наряду с вынужденной одновременно может быть и свободная конвекция. Относительное влияние последней на теплообмен тем больше, чем больше разность температур отдельных частиц жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.  [c.161]

Влияние свободной конвекции на вынужденное течение отражает число Ог (или Ог Рг). Бели оно мало, то течение будет вязкостным или вязкостно-инерционным. При достаточно больших значениях числа Ог наблюдается переход к вязкостно-гравитационному или вязкостно-инер-ционно-гравитационному течению.  [c.47]

Заметим в заключение, что уравнения (7-83) и (7-84) относятся к случаю вязкостного течения жидкости, когда влияние свободной конвекции на вынужденное течение, а следовательно, и на теплоотдачу несущественно. Это условие приближенно выполняется, если [Ог-Рг[c.142]

В случае наложения свободной конвекции на вынужденное течение градиент скорости на стенке будет зависеть от параметров, определяющих не только вынужденное, но и свободное течение. В этом случае величина А заранее неизвестна, однако она может быть определена из уравнения движения. Воспользуемся уравнением движения в упрощенной форме, опуская инерционные члены, но учитывая подъемную силу. Полагая физические свойства жидкости (кроме плотности) постоянными и представив плотность в виде линейной функции температуры получим  [c.320]

Вынужденной конвекцией называется движение жидкости, вызванное действием внешних поверхностных сил, создаваемых работой насосов, компрессоров и т. д. В отличие от свободной вынужденная конвекция может и не сопровождаться теплообменом (изотермическое течение) в этом случае осуществляется конвективный перенос массы. Вынужденная конвекция в общем случае может сопровож-  [c.156]

Конвекции при вынужденном движении противопоставляется конвекция при свободном движении, когда сила тяжести оказывается главной активной силой, возбуждающей течение среды в границах изучаемого поля. Конечно, могут иметь место и смешанные случаи, при которых эффекты свободного и вынужденного движения соизмеримы друг с другом, однако почти невероятно, чтобы одновременно следовало бы учитывать влияние числа М.  [c.76]

Свободная конвекция воды 10 l(i Вынужденная конвекция la-  [c.89]

Режим движения вязкостно-гравитационный, и для случая совпадения вынужденной и свободной конвекций у стенки расчет теплоотдачи проводим по формуле (5-5)  [c.82]

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]

Различают конвекцию вынужденную (движение жидкости создается искусственно) и свободную — движение возникает в связи с ее нагреванием и изменением плотности.  [c.402]

В случае вынужденного движения жидкости и при развитом турбулентном режиме свободная конвекция в сравнении с вынужденной очень мала, поэтому критериальное уравнение теплоотдачи упрощается  [c.423]

При свободном движении жидкости, когда вынужденная конвекция отсутствует, вместо критерия Рейнольдса в критериальное уравнение теплоотдачи необходимо ввести критерии Грасгофа. Отсюда получаем  [c.424]

Как указывалось выше (п. 8.2.3), теплообмен при развитом пузырьковом кипении полностью управляется своими внутренними механизмами и не зависит от скорости вынужденного движения. Однако это не означает, что вынужденное движение вообще не влияет на закономерности кипения. Прежде всего с ростом скорости течения жидкости Wq возрастает коэффициент теплоотдачи однофазной конвекции и, следовательно, при неизменной плотности потока q уменьшается перегрев стенки относительно. Это приводит к тому, что начало кипения в потоке жидкости происходит при тем больших q, чем выше скорость жидкости. Эта закономерность хорошо видна из рис. 8.5, на котором представлены сглаженные опытные зависимости q(AT), полученные одним из авторов [17]. Теплообмен происходил на омываемой потоком воды плоской пластине при давлении 3,92 бар. Кривая 1 соответствует кипению при свободном движении (в большом объеме). В условиях обтекания пластины потоком воды до начала закипания коэффициент теплоотдачи не зависит от плотности теплового потока и целиком определяется скоростью жидкости (кривые 2, 3, 4). С ростом теплового потока при постоянном а, растет температура стенки, и при некотором значении  [c.355]

В зависимости от причин возникновения конвективного движения жидкости или газа различают свободную и вынужденную конвекции. При свободной конвекции перемещение теплоносителя происходит только под влиянием разности плотностей холодной и горячей жидкости или газа в поле тяготения. Нагревшиеся объемы теплоносителя поднимаются вверх, охладившиеся опускаются. Около нагретых тел имеет место, как правило, восходящая (подъемная) конвекция, а у холодных — опускная (нисходящая).  [c.89]

Как отмечалось выше, различают два вида конвекции вынужденную и свободную.  [c.93]

Конвекция, как ранее сказано, бывает вынужденной и свободной. Вынужденное движение может сопровождаться свободным движением. При этом влияние свободного движения тем больше, чем меньше скорость вынужденного движения и больше разность температур отдельных частиц среды. При больших скоростях вынужденного движения свободную конвекцию можно не учитывать ввиду ее небольшого влияния. Процесс конвективного теплообмена, характеризуемый совокупиостью тепловых и гидромеханических явлений, может быть описан системой дифференциальных уравнений.  [c.309]

КРИТИЧЕСКИЕ ТЕПЛОВЫЕ НАГРУЗКИ ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ И ВЫНУЖДЕННОМ ДВИЖЕНИИ КИПЯЩЕГО И НЕДОГРЕТОГО ДАУТЕРМА  [c.56]

КОНВЕКЦИЯ (от лат. onve tio — доставка) — перенос массы в результате перемещения сплошной среды (газа, жидкости). Существуют различные виды К. в зависимости от причин, её порождающих наиболее распространённые — свободная, вынужденная и капиллярная К.  [c.435]

Клячко Л. С., К вопросу о теплообмене между газом и шаровой поверхностью в условиях совместного действия свободной и вынужденной конвекций, Trans. ASME, s С. ( Теплопередача ), 1963, № 4.  [c.407]

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]

В горизонтальной трубе вследствие свободного дпижсшня (конвекции) возникает поперечная циркуляция капельной жидкости (рис. 1.8). Частицы жидкости одновременно участвуют в поперечной циркуляции и в продольном вынужденном движении. В результате сложения этих движений траектории частиц приобретают сложный вид винтовых линий.  [c.21]

Члены, стоящие в левой части уравнения энергии, называются конвективными и определяют вынужденную конвекцию. Может существовать также свободная конвекция, природа которой обусловлена Архимедовой подъемной силой, вызванной подогревом жидкости. Обозначим через р коэффициент объемного расширения среды через АТ повышение температуры данной частицы среды, по сравнению с ненагретыми частицами. Тогда р АТ есть относительное изменение объема данной частицы, а Архимедова подъемная сила будет равна Fa = pg P AT g— ускорение свободного падения). Полученную силу, отнесенную к единице массы, можно рассматривать как массовую силу и ввести ее в уравнение движения (1.18) в качестве/  [c.39]

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]

Характер распределения Aopo Teii в пограничном с/.ое при свободной конвекции (см, сечение /—/ на рис. 17,9) отличается от такопого при вынужденной конвекции. При свободной конвекции скорость сначала возрастает от нуля у стеик1 до максимального значения, а затем вновь у.меньшается до и ля на границе пограничного слоя.  [c.195]

---

mash-xxl.info

Презентация на тему: Белорусский национальный технический университет

Кафедра ЮНЕСКО “Энергосбережение и возобновляемые источники энергии”

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Лекция 10. Основы конвективного теплоообмена

Конвективный перенос теплоты возможен только в текучей среде (жидкости, газе) и неразрывно связан

с переносом (движением) самой среды. Конвекция теплоты – это процесс переноса

внутренней энергии среды при перемещении её объёмов (макрочастиц) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой.

Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, связанной с хаотическим

тепловым движением молекул в движущейся среде. Совместный процесс переноса теплоты в

движущейся среде конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Рассмотрим движение кубической макрочастицы жидкости единичного объёма V = 1×1×1 = 1 м3 со скоростью w через

нормальную к ней поверхность. Масса жидкости в частице равна m = ρV = ρ кг, а её энтальпия – h = ρсрt Дж.

w

Частица полностью пройдёт через контрольную поверхность,

т.е. переместится на длину своего ребра 1 м за время 1/w c. При этом объёмный и массовый расходы жидкости (объём / масса,

проходящие через единицу площади поверхности 1×1 = 1 м2 в

единицу времени) составит	Q V		3			1 2 w
	м/с = м			/(м			с)
			1 w
	G	V	2					w
	кг / (м с)
				1 w

Плотность конвективного теплового потока

w

n

Если массовый расход жидкости через единицу контрольной поверхности в единицу времени составляет

кг/(мG2с), w

то плотность теплового потока, обусловленная конвекцией,

q wh wc t

конвВт/м2. p

Конвективный перенос всегда сопровождается теплопроводностью в жидкости

q qтпр Вт/мqконв2. t wcpt

ТЕПЛООТДАЧА – процесс конвективного теплообмена между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела.

Закон Ньютона – Рихмана

Плотность теплового потока при теплоотдаче пропорциональна разности температур между

поверхностью стенки и жидкостью вдали от поверхности

qc = (tc – tж), Вт/м2

qc ,

Вт/(м2∙К) – коэффициент теплоотдачи,

tcж t

численно равный плотности теплового потока на границе тела и жидкости, отнесённой к разности температур поверхности тела и жидкости вдали от поверхности.

Коэффициент теплоотдачи

в общем случае зависит от большого количества факторов:

oформы и размеров тела;

oрежима течения жидкости;

oскорости и температуры жидкости;

oфизических параметров жидкости;

oнаправления теплового потока (к или от поверхности) и т.д.

Свободная и вынужденная конвекция

Чтобы привести жидкость в движение, к ней необходимо приложить силу. В общем случае на все частицы жидкости могут действовать массовые (или объёмные) и поверхностные силы:

oмассовые (объёмные) силы обусловлены действием внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного) и приложены ко всем частицам жидкости;

oповерхностные силы приложены к поверхности макрочастицы жидкости и являются результатом воздействия окружающей жидкости или поверхности твердого тела (силы трения, давления).

При свободной конвекции движение жидкости возникает вследствие неоднородного распределения массовых сил в

рассматриваемом объёме. Например, в поле земного тяготения неоднородное распределение температуры и, как следствие, плотности жидкости приводит к возникновению подъёмной (выталкивающей) силы, действующей на более нагретые макрочастицы жидкости.

Вынужденная конвекция

возникает при перемещении объёма жидкости за счёт работы, подводимой насосом (вентилятором), под воздействием поверхностных сил, приложенных на границах объёма.

G, Р0		Р1 Р2 = Р1 – P

P

Вынужденная конвекция возникает также под действием однородного поля массовых сил, например,

при течении плёнки жидкости по вертикальной стенке в поле сил тяжести.

Вынужденная конвекция может сопровождаться свободной, вклад которой тем выше, чем больше неравномерность температуры в жидкости и меньше

скорость вынужденного движения.

9

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ

На процесс конвективного теплообмена влияют теплофизические свойства жидкости / газа: теплопроводность и температуропроводность а, удельная теплоёмкость ср, плотность , а также к-ты

вязкости (динамический и кинематический ν). Для каждого вещества эти свойства различны и по- разному зависят от параметров состояния: p, v и особенно T.

Все реальные жидкости / газы обладают вязкостью, что проявляется в возникновении силы внутреннего трения между макрочастицами или слоями жидкости, движущимися с разными скоростями, которая

противодействует движению.

studfile.net

Свободная и вынужденная конвекция 1 Теплообмен при свободной

Свободная и вынужденная конвекция 1. Теплообмен при свободной конвекции в большом объеме около вертикальных поверхностей 2. Теплоотдача при свободном движении около горизонтальной трубы 3. Теплообмен при свободном движении жидкости в вертикальных щелях

Теплообмен при свободной конвекции в большом объеме около вертикальных поверхностей Свободное движение возникает за счет массовых (объемных) сил, приложенных к частицам жидкости внутри системы. Такими силами являются сила тяжести, центробежная сила, силы электромагнитного поля и некоторые другие. Нас интересует свободное движение жидкости, вызванное гравитационными силами. При теплообмене температура жидкости переменна. Поэтому возникает разность плотностей и, как следствие, разность гравитационных сил, представляющая собой подъемную (опускную) силу. Работу по перемешиванию жидкости совершает сила тяжести. Скорость свободного движения жидкости определим из закона сохранения механической энергии (уравнения Бернулли), в котором гравитационные силы учитываются членом ρg, имеющим размерность силы, отнесенной к единице объема: откуда следует, что характерная скорость свободной конвекции

Теплообмен при свободной конвекции в большом объеме около вертикальных поверхностей На рис. показано распределение температуры и скорости в пограничном слое. За пределами пограничного слоя в большом объёме скорость равна нулю. Из уравнений гидродинамики пограничного слоя находят выражение для δ: Поскольку α=2λ/δ, получим: Используя критерии подобия можно получить общий вид выражения теплообмена:

Теплообмен при свободной конвекции в большом объеме около вертикальных поверхностей Изменение коэффициента теплоотдачи при подъемном свободном движении вдоль вертикальной стенки и связь этого изменения с характером движения показаны на рис. При ламинарном течении коэффициент теплоотдачи уменьшается по высоте пропорционально х 0, 25. Здесь определяющей температурой является температура жидкости за пределами движущегося слоя, определяющий размер — длина пластины, отсчитываемая от начала теплообмена. Формула получена для теплоносителей с числами Прандтля от 0, 7 до 3000. Ею следует пользоваться при 103

Теплообмен при свободной конвекции в большом объеме около вертикальных поверхностей При турбулентном течении коэффициент теплоотдачи от х не зависит. Хотя переменность физических параметров и Δt по высоте может привести и к изменению коэффициента теплоотдачи. Развитое турбулентное течение наступает при числах Gr. Pr > 6*1010. Для местных коэффициентов теплоотдачи при развитом турбулентном течении предложена формула:

Теплоотдача при свободном движении около горизонтальной трубы Характер свободного движения около горячих горизонтальных труб представлен на рис. При прочих равных условиях чем больше диаметр труб, тем вероятнее разрушение ламинарного течения. У труб малого диаметра разрушение ламинарного течения может происходить вдали от трубы. Для расчета средних коэффициентов теплоотдачи при свободном ламинарном движении около горизонтальных труб может быть использована формула Михеевой И. М. В формуле за определяющую принята температура жидкости или газа вдали от трубы, в качестве определяющего размера берется диаметр трубы.

Теплообмен при свободном движении жидкости в вертикальных щелях Если расстояние между стенками велико, то восходящий и нисходящий потоки движутся без взаимных помех. В этом случае движение имеет такой же характер, как и в неограниченном объеме. Если же расстояние между стенками мало, то вследствие взаимных помех возникают внутренние циркуляционные контуры. Высота контуров h определяется шириной щели, родом жидкости и интенсивностью процесса. Перенос тепла между стенками может быть вычислен по уравнениям теплопроводности. При практических расчетах обычно необходимо определить тепловой поток через слой жидкости. Принято заменять сложный процесс переноса теплоты через щели эквивалентным процессом теплопроводности: где λэкв — эквивалентный коэффициент теплопроводности, учитывающий перенос теплоты через щель как теплопроводностью, так и конвекцией. Отношение εк=λэкв/ λ, характеризует влияние конвекции на перенос теплоты через щель. εк является функцией чисел Gr и Pr.

Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности Полагаем, что плоская поверхность омывается потоком несжимаемой жидкости, скорость и температура которой за пределами гидродинамического и теплового пограничных слоев постоянны и равны соответственно w 0 и t 0. Коэффициент теплообмена между поверхностью тела и средой определён законом Ньютона — Рихмана: Принимая распределение температуры в пограничном слое по параболе, что близко к реальному в ламинарном режиме, получено: Где k – толщина теплового пограничного слоя. Отсюда видно, что основная задача при нахождении α аналитическим методом заключается в определении толщины теплового пограничного слоя. Для решения этой задачи необходимо знание распределение скорости и теплового потока в пределах пограничного слоя, которые находятся из уравнений энергии и импульса. После интегрирования этих диференциальных уравнений находят толщину теплового пограничного слоя:

Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности Подставляя полученное значение k в выражение для α и приведя результат к безразмерному виду получим: . X – отношение текущей кординаты х к длине пластины l. Отсюда уравнение теплообмена для всей пластины имеет вид: Для турбулентного режима течения можно для среднего коэффициента теплотдачи получить аналогичное выражение:

Вынужденное продольное омывание поверхности. Переход ламинарного течения в турбулентное происходит на некотором участке как показано на рисунке. Законы теплообмена при ламинарном и турбулентном режимах течениях различны, поэтому определение их границ имеет большое значение. О режимах течения судят по критическим значениям числа Рейнольдса: В ходе экспериментальных исследований установлено, что: для пластины: Reкр1 ≈ Reкр2 ≈ 105 для трубы: Reкр1 = 2300. Reкр2 ≈ 104

Вынужденное продольное омывание поверхности. Переход ламинарного течения в турбулентное Изменение коэффициента теплоотдачи при обтекании пластины приведено на рис. Из рисунка видно, что при ламинарном режиме течения, коэффициент теплоотдачи уменьшается быстрее чем при турбулентном, поскольку быстрее увеличивается толщина пограничного слоя.

Упражнения И

Упражнения 1. Прямой цикл Карно (см. рис. ) состоит из четырех обратимых процессов: двух изотермических a-b, d-c и двух адиабатных а-d, Ь-с. В тепловой машине, работаю щей по этому циклу, подвод теплоты от высшего источника осуществляется при 1200 К, а отвод к низшему — при 300 К. Какая доля подводимого количества теплоты расхо дуется на совершение работы и какая отводится к низшему источнику теплоты? 2. Эффективный к. п. д. ДВС (с учетом всех потерь и отклонений реального процесса от теоретического) отлича ется от термического к. п. д. цикла Карно на 30%. Опреде лить диапазон изменения эффективного к. п. д. ДВС, если температура сгорания топлива 1800 °С, а двигатель эксплу атируется при температуре окружающей среды ± 50 °С.

present5.com

Свободная и вынужденная конвекция — Справочник химика 21

    Совместная свободная и вынужденная конвекции около погруженных в жидкость теп  [c.312]

    СОВМЕСТНЫЕ СВОБОДНАЯ И ВЫНУЖДЕННАЯ КОНВЕКЦИИ В ОБЪЕМЕ [c.313]

    Режим ползущего течения (Не- -(1 На->0). Корреляция для горизонтальных цилиндров в этом режиме конвекции в 3 иа основе комбинации отдельных аналитических решений 10. для ползущего течения прн чисто свободной и вынужденной конвекциях [c.313]

    В. Противоположное значение сил свободной и вынужденной конвекции. Экспериментальные и теоретические результаты для этого случая менее обширны, чем для совместного влияния сил вынужденной и свободной конвек- [c.313]

    Совместные свободная и вынужденная конвекции в каналах  [c.315]

    Противоположно направленные свободная и вынужденная конвекции при ламинарном течении. В [4] считается, что теплоотдача для ламинарной свободной конвекции, противоположно направленной вынужденному движению, может быть описана с помощью (1), в котором знак + за- [c.318]

    Турбулентная конвекция. Как показано в [13], при совпадении направлений свободной и вынужденной конвекций вначале влияние сил плавучести приводит при турбулентном течении к уменьшению теплообмена вследствие уменьшения скорости, тем самым касательного напряжения и интенсивности турбулентности в ядре потока. Обратное влияние имеет место при противоположном направлении подъемных сил и сил вынужденной конвекции, при [c.319]

    Для совпадающих по направлению сил свободной и вынужденной конвекции экспериментальные данные качественно следуют за соотношением (15). Такое поведение чисел N11 противоположно поведению теплоотдачи нри ламинарном течении. [c.319]

    Чаще всего колебания температуры расплава возникают вследствие нестабильности работы нагревателей печи, присутствия потоков свободной и вынужденной конвекций в расплаве, а также из-за неравномерности вращения кристалла и тигля. [c.88]

    Рассмотренные в этой главе задачи связаны главным образом с проблемами пограничного слоя при наличии свободной и вынужденной конвекции. Все они решены исключительно интерференционными методами с помощью интерферометра Маха—Цендера (МЦИ). Интерференционные методы применительно к рассматриваемым задачам имеют очень большое значение. [c.185]

    Наконец, коротко будет рассмотрен случай, когда конвекция вынужденного потока находится под влиянием объемных сил (смешанная свободная и вынужденная конвекция).  [c.385]

    СМЕШАННАЯ СВОБОДНАЯ И ВЫНУЖДЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ [c.408]

    Свободная и вынужденная конвекция [c.23]

    Процессы теплопроводности и диффузии в неподвижной среде в чистом виде могут наблюдаться только в твердых телах, так как в жидкостях и газах на эти процессы неизбежно накладывается движение среды как целого — свободная и вынужденная конвекция. [c.23]

    Конвекция — это перенос тепла движущейся жидкостью, сопровождаемый перемешиванием ее объемов с различной температурой. Жидкость, соприкасающаяся с горячей поверхностью, нагрета сильнее, чем остальная масса. Если движение жидкости происходит только вследствие возникающей при этом разницы плотностей и подъемных сил в поле тяжести, такой процесс называют свободной или естественной конвекцией. Если перемешивание осуществляется каким-либо другим способом, то такой процесс называют вынужденной конвекцией, хотя в некоторых случаях свободная и вынужденная конвекция вносят одинако- [c.26]

    Определение величины ав связано е трудностями, вызванными сложностью процессов теплообмена это и лучеиспускание газов, и свободная и вынужденная конвекция парогазовой смеси в пузырьке. Расчеты показывают, что количество тепла, переданное излучением, составляет лишь около 5% общего количества тепла, отданного пузырьком. Величину ап можно определить из уравнения И. Г. Аладьева [26]  [c.94]

    Уравнения (2)—(4) показывают, что безразмерными комплексами, которые определяют относительный вклад свободной и вынужденной конвекции, являются Ра (Ке Рг / ) —=Ог/(Ре Фг ) приРг оо 1 Ка/(Ре Рг)==Ог/Ре » при Рг- -О. Здесь Ог= р- (7 г,,—7 )/ /г — —число Грас офа. Эти два комплекса для предельных случаев определены так [c.312]

    В [6] получены аналитические решения для совпадающего по направлению влияния свободной и вынужденной конвекции с учетом изменения вязкости н плотности с температурой. Эти результаты представлены на рис. 6. Влияние ВЯ.ЭКОСТИ оказывается существенным, хотя и несколько меньшим, чем влияние плавучести. Иа рис. 7 расчетные значения сопоставлены с экспериментальными данными. [c.317]

    Рнс. 8. Сравнение результатов, полученных по (1) п (3), с частичным использованием уравнений (10) и (12) для полностью развитого ламинарного течения в однородно обогреваемой вертикальной трубе в условиях совпадения по направлению сил свободной и вынужденной конвекций. Точки — результаты экспериментоа [8. 9  [c.318]

    При противоположном направлении сил свободной и вынужденной конвекции эти данные хорошо описываются уравнением (1) с использованием следующих выражений для турбулентной выиужденной конвекции [15] и свободной турбулентной конвекции [16(  [c.319]

    Klya hko L. S., J. Heat Transfer, 85, 355 (1963). [Имеется перевод Клячко. К вопросу о теплообмене между газом и шаровой поверхностью в условиях совместного действия свободной и вынужденной конвекции.— Труды амер. о-ва инж.-мех., сер. С, Теплопередача, 1963, № 4, с. 80.1 [c.667]

    Yao L. S., J. Heat Transfer, 100, 212 (1978). [Имеется перевод Яо. Совместная свободная и вынужденная конвекция на начальном участке нагретой прямой трубы.—Труды амер. о-ва инж.-мех., сер. С, Теплопередача, 19

www.chem21.info

59 Свободная и вынужденная конвекции; физические свойства жидкостей. Числа (критерии) подобия конвективного теплообмена.

Основные понятия и определения

Передача теплоты конвекцией осуществляется перемещением в пространстве неравномерно нагретых объемов жидкости или газов. В дальнейшем изложении обе среды объединены одним наименованием — жидкость. Обычно при инженерных расчетах определяется конвективный теплообмен между жидкостью и твердой стенкой, называемый теплоотдачей. Согласно закону Ньютона—Рихмана, тепловой поток Q от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена и разности температур между температурой твердой стенки tc и температурой жидкости tж: .

(10.1)

Главная трудность расчета заключается в определении коэффициента теплоотдачи α, зависящего от ряда факторов: физических свойств омывающей поверхность жидкости (плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности), формы и размеров поверхности, природы возникновения движения среды, скорости движения.

По природе возникновения различают два вида движения — свободное и вынужденное. Свободное движение происходит вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости, находящейся в поле действия сил тяжести; оно называется также естественной конвекцией и зависит от рода жидкости, разности температур, объема пространства, в котором протекает процесс.

Вынужденное движение возникает под действием посторонних побудителей (насоса, вентилятора, ветра). 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.

Движение жидкости может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном режиме частицы жидкости движутся послойно, не перемешиваясь. Турбулентный режим характеризуется непрерывным перемешиванием всех слоев жидкости. Переход ламинарного режима в турбулентный определяется значением безразмерного комплекса, называемого числом Рейнольдса: ,

где w – скорость движения жидкости; ν — коэффициент кинематической вязкости1; l — характерный размер канала или обтекаемой стенки.

При любом режиме движения частицы жидкости, непосредственно прилегающие к твердой поверхности, как бы прилипают к ней. В результате вблизи обтекаемой поверхности вследствие действия сил вязкости образуется тонкий слой заторможенной жидкости, в пределах которого скорость изменяется от нуля на поверхности тела до скорости невозмущенного потока (вдали от тела). Этот слой заторможенной жидкости получил название гидродинамического пограничного слоя. Толщина этого слоя возрастает вдоль по потоку, так как по мере движения влияние вязкости распространяется все больше на невозмущенный поток. Однако и в случае турбулентного пограничного слоя непосредственно у стенки имеется очень тонкий слой жидкости, движение в котором носит ламинарный характер. Этот слой называется вязким, или ламинарным, подслоем.

Аналогично понятию гидродинамического слоя существует понятие теплового пограничного слоя — прилегающей к твердой поверхности области, в которой температура жидкости изменяется от температуры стенок tс до температуры жидкости вдали от тела tж. В общем случае толщины гидродинамического и теплового пограничных слоев пропорциональны, а для газов практически равны.

Интенсивность переноса теплоты зависит от режима движения жидкости в пограничном слое. При турбулентном пограничном слое перенос теплоты в направлении стенки обусловлен турбулентным перемешиванием жидкости. Однако непосредственно у стенки, в ламинарном подслое теплота будет переноситься теплопроводностью. При ламинарном пограничном слое теплота в направлении стенки переносится только теплопроводностью.

Основы теории подобия

Ввиду сложности математического описания процессов конвективного теплообмена аналитическое решение дифференциальных уравнений с условиями однозначности оказывается возможным только в результате дополнительных упрощений, которые в значительной мере снижают практическую ценность полученных результатов. Поэтому многие зависимости для конкретных задач конвективного теплообмена получают экспериментальным путем. Распространение этих эмпирических зависимостей на другие конкретные явления может привести к грубым ошибкам.

Объединение математических методов с экспериментом с помощью теории подобия позволяет распространить результаты единичного опыта на целую группу явлений.

Понятие подобия, как известно, впервые введено в геометрии. Геометрически подобными называются такие фигуры, у которых сходственные (одноименные) стороны пропорциональны, а сходственные углы равны.

Понятие подобия распространяется на любое физическое явление. Физические явления считаются подобными, если они относятся к одному и тому же классу, протекают в геометрически подобных системах, и подобны все однородные физические величины, характеризующие эти явления. Однородными называются такие величины, которые имеют один и тот же физический смысл и одинаковую размерность. Таким образом, для подобных физических явлений в сходственных точках и в сходственные моменты времени любая величина φ′ первого явления пропорциональна величине φ′′ второго явления, т. е. φ′=cφ·φ′′. При этом каждая физическая величина φ имеет свой множитель преобразования cφ′ численно отличный от других.

Аналогично геометрическому подобию уравнения, описывающие подобные физические явления, после приведения их к безразмерному виду становятся тождественно одинаковыми. При этом в сходственных точках все одноименные безразмерные величины, в том числе и безразмерные параметры, будут равны.

безразмерный комплекс называется числом Нуссельтаи представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи. Числа подобия, составленные только из заданных параметров математического описания задачи, называются критериями подобия. Анализ уравнений конвективного теплообмена позволяет получить следующие основные критерии подобия:

—критерий Рейнольдса, характеризующий режим движения жидкости;

—критерий Грасгофа, характеризующий подъемную силу, возникшую вследствие разности плотности жидкости. Здесь β — коэффициент объёмного расширения жидкости;

—критерий Прандтля, определяющий физические свойства жидкости.

Критерии, составленные из величин, определяющих характер процесса, но не включающие искомых величин, называются определяющими, а критерии, включающие искомые величины, — неопределяющими. Так, при расчёте конвективного теплообмена критерий Nu не является определяющим, так как в него входит искомая величина α. Критерии же Re и Pr в этих же расчётах – определяющие.

studfile.net

Свободная конвекция Естественная конвекция — Справочник химика 21

    Теплоотдача при свободном движении (естественной конвекции) в неограниченном пространстве [c.567]

    При свободной или естественной конвекции характер движения жидкости определяется только подъемными силами, зависящими в свою очередь от плотности и сил тяжести. Кроме того, профили скорости и температуры в жидкости тесно взаимосвязаны. Это резко отличает рассматриваемый вид теплообмена от вынужденной конвекции, когда режим течения определяется внешними силами, создаваемыми, например, насосами или вентиляторами. В последнем случае предварительно определяют профиль скорости, а затем используют его для расчета профиля температуры. При вынужденной конвекции число Нуссельта является функцией чисел Прандтля и Рейнольдса, а при свободной конвекции — чисел Прандтля и Грасгофа. Число Грасгофа — это безразмерный комплекс, представляющий собой отношение подъемных сил к силам вязкости  [c.33]

    Свободное движение (естественная конвекция) [c.287]

    Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и газах путем перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объема, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция). Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности. [c.364]

    Свободное движение жидкости, или естественная конвекция, возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости и определяется физическими свойствами жидкости, ее [c.132]

    Естественная или свободная конвекция, вызываемая разностью плотностей в различных точках раствора, может оказывать существенное влияние на массоперенос, особенно при разделении растворов электролитов, плотность которых сильно зависит от концентрации. В аппаратах с горизонтальными плоскими мембранами естественная конвекция может вносить большой вклад в общий массоперенос, при [c.177]

    В зависимости от характера движения потока различают два, принципиально различных, конвективных способа теплообмена — теплообмен при свободном движении (естественная конвекция) и при вынужденном движении (вынужденная конвекция). Если вдоль поверхности нагрева меняется температура среды, то меняется и ее плотность. Последнее обстоятельство является причиной возникновения свободного (естественного) конвективного потока. В другом случае внешние силы, вызывающие движение потока, могут быть настолько велики, что по сравнению с ними силы, вызывающие возникновение свободного движения, оказываются чрезвычайно малыми. В этом случае имеет место вынужденное движение. Если теплообмен происходит между частицами тел, находящимися только в непосредственном соприкосновении, то такой способ передачи тепла называется теплопроводностью. [c.61]

    Движение жидкой или газообразной фазы относительно граничной поверхности может происходить под действием внешних источников движения (вынужденная конвекция) или за счет различия плотности в разных областях среды, находящейся в поле гравитационных сил (свободная или естественная конвекция). [c.205]

    Поток свободной -или естественной конвекции возникает различными путями, например, когда нагретый объект помещен в газ, плотность которого изменяется с температурой. Тепло переносится от поверхности объекта к слоям окружающего его газа. Уменьшение плотности, которое в обычном газе связано с увеличением температуры, заставляет эти слои подниматься и таким образом создает поток свободной конвекции, переносящий тепло от объекта. Физически такой поток можно описать на основании учета тех объемных сил, которые его вызывают. [c.384]

    В частности, при свободном движении (естественной конвекции), обусловленном разностью плотностей жидкости (газа) за счет разности температур в различных ее точках, затруднительно определить скорость потока. Ее исключают, комбинируя критерии Рейнольдса и Фруда  [c.38]

    Конвекция — это перенос тепла движущейся жидкостью, сопровождаемый перемешиванием ее объемов с различной температурой. Жидкость, соприкасающаяся с горячей поверхностью, нагрета сильнее, чем остальная масса. Если движение жидкости происходит только вследствие возникающей при этом разницы плотностей и подъемных сил в поле тяжести, такой процесс называют свободной или естественной конвекцией. Если перемешивание осуществляется каким-либо другим способом, то такой процесс называют вынужденной конвекцией, хотя в некоторых случаях свободная и вынужденная конвекция вносят одинако- [c.26]

    II. Свободное движение [естественная конвекция). . .  [c.154]

    Вынужденное движение жидкости вызывается работой насоса, вентилятора, дымовой трубы или другого устройства, причем между входом и выходом из канала, по которому движется жидкость, устанавливается определенная разность давлений. Свободное движение (естественная конвекция) может происходить и при отсутствии перепада давлений и обусловливается различием удельных весов жидкости в разных точках рассматриваемого объема, вызывающим появление так называемой подъемной силы. [c.24]

    Теплообмен между стенкой и газом, массы которого перемещаются под влиянием разности температур поверхности стенки и газа, называется теплообменом при свободной или естественной конвекции. [c.194]

    VI. Свободный поток (естественная конвекция)  [c.271]

    Если движение жидкости обусловлено градиентами температуры или концентраций, то говорят о свободной, или естественной, конвекции. Если движение вызывается внешними силами, то процесс носит название вынужденной конвекции [4]. [c.322]

    В общем случае возможны две различные (по происхождению) формы движения вынужденное движение, вызванное действием внешних возбудителей процесса, и свободное движение (естественная конвекция), обусловленное

www.chem21.info