Вводная часть. Сложный теплообмен. Совместный перенос тепла теплопроводностью, конвекцией и излучением называется сложным

Сложный теплообмен. Совместный перенос тепла теплопроводностью, конвекцией и излучением называется сложным, или радиационно-конвективным способом переноса тепла (сложным теплообменом). Примером сложного теплообмена является теплообмен между движущимся многоатомным газом и стенкой, жидким металлом и стенкой. В данной работе исследуется сложный теплообмен между нагретым горизонтальным цилиндром и окружающей средой (воздухом), где в качестве основного явления рассматривается конвективный теплообмен.

Конвективный теплообмен. Конвективный теплообмен происходит при движении жидкости или газа, когда перенос теплового движения осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Конвекция, как уже отмечалось в работе № 6, имеет место в движущихся средах (жидкостях, газах, сыпучих средах, плазме).

Различают естественную (свободную) и вынужденную конвекцию. При естественной конвекции перемещение жидкости (газа) происходит без внешнего возбуждения в результате самого процесса теплообмена. При теплообмене температура жидкости переменна по её объему, поэтому возникает разность плотностей и как следствие разность гравитационных сил, действующих на горячие и холодные слои жидкости. Например, при соприкосновении воздуха с нагретым телом воздух нагревается, становится легче и вытесняется вверх холодными слоями воздуха, которые опускаются вниз под действием силы тяжести.

При вынужденной конвекции перемещение жидкости происходит под действием посторонних возбудителей, например, насоса, компрессора, вентилятора и пр. В общем случае наряду с вынужденной конвекцией одновременно может развиваться свободная конвекция. Относительное влияние последней тем больше, чем больше разность температур в отдельных точках жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.

Уже первые опыты по конвективному теплообмену показали, что плотность теплового потока пропорциональна разности температур между жидкостью и поверхностью тела (закон теплоотдачи Ньютона-Рихмана):

или , (3.8)

где – местный (локальный) коэффициент теплоотдачи;

– средний по поверхности теплообмена коэффициент теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность конвективного теплообмена и равен отношению плотности теплового потока к разности температур между жидкостью и стенкой

. [ ] = 1 Вт/(м². К).

В общем случае коэффициент теплоотдачи является сложной функцией формы канала, размеров , например, диаметра , температур стенки и жидкости , скорости жидкости и её физических свойств – теплопроводности , теплоёмкости , плотности , динамической и кинематической вязкости и других факторов:

.

Эту зависимость можно существенно упростить, если представить её в виде критериального уравнения, записываемого через числа подобия в общем случае конвективного теплообмена при свободно-вынужденном движении капельной жидкости (1.5),

. (3.9)

Числа подобия – безразмерные комплексы, составленные из величин, характеризующих данное явление. Согласно первой теореме подобия – подобные процессы имеют одинаковые числа (критерии) подобия.

Числа подобия, как уже отмечалось, принято обозначать первыми двумя буквами фамилий учёных, внёсших значительный вклад в исследования в области гидродинамики и теории теплообмена, например, Re (Reynolds), Nu (Nusselt) и др.

Для процессов теплоотдачи режим движения жидкости имеет очень большое значение, т. к. им определяется механизм переноса тепла. Режим движения определение по значению числа Рейнольдса (1.1)

.

При ламинарном режиме () перенос движения в направлении нормали к стенке в основном осуществляется путем теплопроводности. При турбулентном режиме () перенос теплового движения осуществляется путем теплопроводности лишь в вязком подслое, а внутри турбулентного ядра перенос осуществляется путём интенсивного перемешивания (конвекции) частиц жидкости. Интенсивность теплообмена при турбулентном режиме значительно выше, чем при ламинарном режиме. Число Рейнольдса является определяющим критерием при рассмотрении теплообмена при вынужденной конвекции.

Число Нуссельта (1.3) является определяемым (зависимым) в критериальном уравнении (3.9) числом подобия; оно характеризует интенсивность теплоотдачи в пограничном слое потока у стенки (из этого числа определяется коэффициент теплоотдачи ):

, (3.10)

где – диаметр трубы, м; – теплопроводность жидкости (воздуха), выбирается в зависимости от температуры, Вт/(м^.К).

Число Прандтля (1,2) (3.11)

является теплофизической характеристикой теплоносителя.

Число Грасгофа (1.4) характеризует относительную эффективность подъёмной силы, вызывающей свободно-конвективное движение среды

, (3.12)

где – ускорение свободного падения, м/с²;

– температурный коэффициент объемного расширения среды, 1/К (для газов = 1/ Т _ж);

– характерный температурный напор, К;

– диаметр трубы. м; – кинематическая вязкость жидкости (выбирается в зависимости от температуры жидкости по соответствующим таблицам, например, для воздуха по таблице Г1), м/с.

При естественной (свободной) конвекции газа, исследуемой в данной лабораторной работе, определяющими числами (критериями) подобия являются числа Грасгофа и Прандтля и общее критериальное уравнение (3.9) принимает вид (1.5)

.

Для газов и тогда общая запись критериального уравнения (1.6) в случае естественной конвекции газа примет вид

. (3.13)

Постоянные С и являются искомыми величинами в этом уравнении при выполнении данной лабораторной работы.

Тепловое излучение. Тепловое излучение представляет собой процесс переноса тепла (хаотического движения) с помощью электромагнитных волн. Тепловое излучение свойственно всем телам, и каждое из них не только непрерывно излучает электромагнитные волны, но и непрерывно поглощает их.

Излучение, которое определяется природой данного тела и его температурой, называется собственным излучением. Согласно закону Стефана-Больцмана поверхностная плотность потока собственного излучения тела пропорциональна четвертой степени его температуры

, (3.14)

где = 5,67 Вт/(м².К⁴) – излучательная способность чёрного тела, которое поглощает всю падающую на него лучистую энергию и воспринимается зрением как черное тело;

- степень черноты – отношение плотности потока собственного излучения тела к плотности потока излучения черного тела при той же температуре ().

Поверхностная плотность теплового потока излучением тела с температурой Т ₁, в окружающую среду с температурой T ₂ определяется по формуле

. (3.15)