Теплоотдача это

Основная задача батарей — эффективный обогрев помещения. Ключевой характеристикой качественной работы отопительной системы является теплоотдача, которая выражает объем передаваемого тепла за какое-то количество времени. Теплоотдача радиаторов отопления зависит от многих нюансов, в подробностях которых разберемся ниже.

Что нужно зноть о теплоотдаче

Мощность радиатора, тепловой потолок, тепловая мощность — все эти понятия идентичны тепловой отдаче, единицей измерения которой является Ватт. Иногда тепловой потолок также меряется в калориях. Данную величину можно трансформировать в пересчет на Ватты: 1 Вт равен примерно 860 калориям в час.

Тепловая передача производится в результате нескольких процессов:

• тепловой обмен;
• конвекция;
• излучение.

В батарее осуществляются все три способа передачи тепла, но их конкретные пропорции разнятся в зависимости от вида отопительного оборудования. К радиаторам могут относиться устройства, у которых не менее четверти тепла выделяется в виде прямого излучения. Однако нужно заменить, что на сегодняшний день границы этого требования несколько стерлись, поскольку радиаторами стали называть и конвекторные устройства.

Расчет нужной тепловой отдачи

Выбор батарей должен базироваться на максимально корректных вычислениях необходимой мощности. С одной стороны — лишние секции ни к чему, но с другой — недостаток мощности приведет к невозможности добиться желанной температуры.

На эффективность отопления влияют особенности помещения. Среди них:

• площадь комнаты;
• высота потолка;
• местонахождение помещения (на углу или нет);
• этаж;
• количество внешних стен и окон;
• характеристики установленных окон;
• наличие утеплителя на внешних стенах;
• присутствие в помещении дополнительных источников тепла;
• наличие чердачного помещения и качество его утепления.

Существует несколько методик подсчета нужно мощности системы отопления. Самый простой способ строится на учете количества окон и стен, граничащих с улицей. Подсчет делается таким образом:

• в стандартной ситуации (одно окно, одна внешняя стенка) понадобится 1 кВт тепловой мощности на каждые 10 квадратных метров помещения;
• если в помещении два окна или две наружные стенки, применяется поправочный коэффициент — 1,3 (иными словами, на каждые 10 квадратных метров необходимо 1,3 кВт тепловой мощности).

Следующий способ чуть сложнее, но он позволяет получить более точные показатели необходимой мощности, так как одним из используемых параметров являются высота помещения.

Для вычисления используется формула:

Мощность = площадь помещения x высота комнаты x 41 (согласно нормативам — минимальная мощность на кубометр помещения).

Полученный результат — требуемая тепловая мощность. Чтобы определить количество нужных секций, делим этот результат на тепловую отдачу одной секции (указано в техпаспорте батареи).

Совет! В результате вычислений может получиться дробное число. В этом случае число нужно округлить в большую сторону.

Теплоотдача и материал батареи

С точки зрения конструкционных материалов существует четыре основных вида радиаторов: чугунные, стальные, алюминиевые и биметаллические. В каждом случае теплоотдача отличается.

Чугунные батареи

Такие радиаторы характеризуются незначительной поверхностью тепловой отдачи, а также невысокой теплопроводностью. Теплоотдача чугунных радиаторов осуществляется, прежде всего, излучением и лишь пятая ее часть выпадает на конвекцию.

Каждая секция чугунной батареи имеет номинальную мощность в 180 Вт. Хотя такие показатели достигаются только в условиях лабораторных испытаний. Если же речь о системах центрального отопления, теплоноситель лишь изредка разогревается выше 80 градусов, причем часть тепловой энергии теряется еще на пути следования к радиатору. В результате, реальная теплоотдача фиксируется на уровне 50-60 Вт.

Стальные батареи

Радиаторы из стали состоят из одной или нескольких панелей, между которыми имеются так называемые ребра, выступающие в качестве конвектора. Тепловая отдача стальных устройств лишь немного выше, чему у чугунных. Поэтому их основным достоинством является невысокий вес и более эстетичный дизайн.

Если температура теплоносителя снижается, тепловая отдача стальной батареи резко падает. В связи с этим реальные характеристики радиатора могут сильно отличаться от указанных компанией-производителем.

Алюминиевые батареи

У теплоотдачи алюминиевых радиаторов более высокие показатели по сравнению со стальными и чугунными устройствами (до 200 Вт на каждую секцию). Однако имеется ограничитель использования алюминия в отопительной системе — склонность к коррозии. Алюминий очень чувствителен к качеству теплоносителя, поэтому устанавливать такие радиаторы лучше в частных домах.

Биметаллические батареи

По эффективности тепловой отдачи этот тип радиаторов не хуже алюминиевых. В некоторых случаях она превышает 200 Вт. При этом биметаллические устройства не столь чувствительны к качеству теплоносителя. Недостаток этих приборов — высокая стоимость.

Зависимость тепловой отдачи от типа подключения

Характеристика батареи зависят не только от температурного режима теплоносителя и конструкционного материала, но и от типа подключения устройства к отопительной системе:

• прямое одностороннее подключение — наиболее эффективный, эталонный тип подключения;
• диагональное подключение — используется для снижения потерь тепла, если в батарее более 12 секций;
• нижнее подключение, при котором теряется до 10% энергии — применяется для соединения с отопительной системой в стяжке пола;
• однотрубное подключение — самое невыгодное, потери тепла колеблются в рамках 30-45%.

Варианты повышения теплоотдачи

Существует несколько способов для повышения тепловой отдачи:

1. Радиатор должен быть чистым, поэтому нуждается в систематической влажной уборке.
2. Слишком толстый слой краски на чугунной батарее нарушает теплообмен. Поэтому при окрашивании нужно применять особые краски с пониженным сопротивлением теплопередаче.
3. Прежде чем наносить краску на бывшую в употреблении батарею, нужно тщательно удалить старую краску. Для покраски лучше применять темную эмаль, наносимую в два слоя. Темные цвета позволяют увеличить мощность обогрева приблизительно на 10%. Светлые же поверхности обычно выглядят эффектнее, но не так эффективны для целей обогрева.

1. Батарея должна быть корректно установлена: без наклона, на правильном расстоянии от стенки и пола.
2. Радиатор не должен прикрываться декоративными решетками или шторами.
3. Во внутренней части устройства не должно быть засоров, мешающих циркуляции теплоносителя.
4. Повышают теплоотдачу экраны с фольгой, которые можно установить на стенку за батареей.
5. Причиной снижения температуры могут быть слишком закрученные вентили. Причем попытки их провернуть могут не увенчаться успехом из-за возникших на резьбе образований. В этом случае нужно позвать сантехника.
6. Если во время отопительного сезона выяснилось, что какой-то сегмент радиатора холодный, речь идет о нарушении движения теплоносителя из-за накопления посторонних образований внизу устройства. Избавиться от проблемы может аккуратное постукивание по прибору. Также можно включить рядом электрическую плиту или электрообогреватель. При нагревании воды в батарее, инициируется вихревое движение, которое может сдвинуть с места отложения ржавчины или мусора.
7. Температура может понизиться также из-за ремонтных работ у соседей, если они сделали стояк более узким при монтаже «теплых полов» или стали отапливать дополнительные помещения, что снизило напор в системе.

Итак, факторы хорошей теплоотдачи радиаторов: модель и материал устройства, тип подключения, правильный расчет количества секций, учет особенностей помещения, соблюдения правил эксплуатации оборудования. Чтобы добиться максимальной теплоотдачи, необходимо учесть все указанные параметры. Наградой за это будет тепло и комфорт в помещении.

klivent.biz

Теплоотдача – это теплообмен между поверхностью твёрдого тела и соприкасающейся с ней средой – теплоносителем (жидкостью, газом). Теплоотдача осуществляется конвекцией, теплопроводностью, лучистым теплообменом.

Конвекция – перенос теплоты в газах, жидкостях или сыпучих средах потоками вещества. Естественная (свободная) конвекция возникает в поле силы тяжести (гравитационном поле) при нагреве снизу текучих или сыпучих веществ. Нагретое вещество (как более лёгкое) по закону Архимеда перемещается относительно менее нагретого вещества в направлении, противоположном направлению силы тяжести.

Теплопроводность – это перенос энергии, осуществляемый в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией. Теплопроводность (или коэффициент теплопроводности) – λ связывает между собой плотность теплового потока

(P -мощность, S – площадь изотермической поверхности, перпендикулярной направлению потока) и градиент температуры в направлении, обратном направлению потока –gradT:

.

Лучистый теплообмен – перенос энергии от одного тела к другому, обусловленный процессами испускания, распространения, рассеяния и поглощения электромагнитного излучения. Существенное отличие лучистого теплообмена от конвекции и теплопроводности заключается в том, что он может протекать и в пустоте.

Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплообмена λ_ТО, определяемым как количество теплоты, переданное в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью и средой-теплоносителем в 1К:

.

Коэффициент теплообмена зависит от условий теплообмена и при неизменности последних – постоянен. Поэтому чем больше разность температур между нагретым телом и средой-теплоносителем, тем большая тепловая мощность отводится.

При нагреве тела электрическим током его температура возрастает, и выделяемая мощность в виде тепла начинает передаваться в окружающую среду. В естественном режиме (при постоянстве λ_ТО) нагрев тела электрическим током происходит до такой температуры, постоянно выделяемая электрическая мощность не сравнится с отводимой тепловой мощностью, которая растёт при повышении температуры тела.

4.5. Теплоёмкость

В общем случае теплоёмкость – это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус (1⁰С или 1⁰К); точнее – отношение количества теплоты (энергии), поглощаемой телом при бесконечно малом изменении его температуры к этому изменению (дифференциальная форма).

На практике теплоёмкостью материала обычно называют его удельную теплоёмкость.

Удельная теплоемкость – это количество энергии (теплоты), необходимое для повышения температуры единицы массы на 1 К. Теплоёмкость обозначается маленькой латинской буквой с.

где m – масса в кг или молях; W – поглощаемая энергия, Дж; T – температура, К.

Размерность удельной теплоемкости –

.

Теплоёмкость твердых веществ имеет один порядок. У металлов и сплавов её значения в основном лежат в пределах (200…1000) Дж/кг∙К, а у неметаллических технических материалов – (500…2000) Дж/кг∙К.

studopedia.org

При теплоотдаче (или конвективном теплообмене) тепло передается за счёт перемещения частиц теплоносителя.

ижение частиц теплоносителя может происходить под действием внешнего перепада давлений (вынужденная конвекция) или за счёт разности плотностей частиц с разной температурой (свободная или естественная конвекция). Интенсивность переноса тепла определяется распределœением температур, свойствами теплоносителя, размерами, формой и ориентацией поверхности теплоотдачи. Процесс конвективного теплообмена описывается основным уравнением теплоотдачи:

Q=aFtÑt , (2.17)

где a – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м²×К).

Коэффициент теплоотдачи численно равен количеству тепла, передаваемому между теплоносителœем и стенкой площадью в один квадратный метр за одну секунду при температурном напоре в один градус. Численные значения коэффициента теплоотдачи колеблются в широких пределах от нескольких десятков кВт/(м²×К) до нескольких Вт/(м²×К). Большие значения относятся к воде и жидким металлам при вынужденной конвекции, малые – к газам при свободной конвекции.

Процесс нестационарной теплоотдачи описывается дифференциальным уравнением конвективного теплообмена Фурье-Кирхгофа. Это дифференциальное уравнение получается аналогично дифференциальному уравнению нестационарной теплопроводности. В статью прихода теплового баланса элементарного параллелœепипеда добавляется тепло, вносимое потоками теплоносителя, проходящими через грани параллелœепипеда:

dQ_К=dx dy dz dt rс[¶(w_хt)/¶z+¶(w_yt)/¶y+¶(w_zt)/¶z]= =dxdydzdtrс[t(¶w_x/¶z+¶w_y/¶y+¶w_z/¶z)+w_x¶t/¶z+w_y¶t/¶y+w_z¶t/¶z].

Сумма производных ¶w_x/¶z+¶w_y/¶y+¶w_z/¶z, согласно уравнению неразрывности потока (4.31), равна нулю.

Преобразования уравнения теплового баланса приводят к уравнению

, (2.18)

где w_x, w_y, w_z – скорости по осям координат, м/с.

Интегрирование дифференциального уравнения даже для простейших случаев связано со значительными трудностями, а для большинства практических задач невозможно. По этой причинœе для расчетов коэффициента теплоотдачи используются полуэмпирические критериальные уравнения, полученные методом подобных преобразований.

После зачеркивания знаков дифференцирования в уравнении (2.9), записанном для случая отсутствия внутренних источников тепла (q_v=0), получим t/t+wt/Lʼʼat/L². Приведем полученное выражение к безразмерному виду, разделив обе части выражения на at/L² :

tL²/a+wL/aʼʼ1. (2.19)

Первый член выражения (2.18) является критерием Фурье, который является безразмерным временем и используется в расчетах нестационарных тепловых процессов:

Fo=tL²/a. (2.20)

Второй член выражения (2.19) является критерием Пекле wL/a=Ре, который характеризует тепловые процессы. Обычно он используется в сочетании с критерием Рейнольдса.

Тепловые процессы описываются системой дифференциальных уравнений Фурье-Кирхгофа и Навье-Стокса, а также граничными условиями. Подобные преобразования уравнения Навье-Стокса (см. п.4.3) приводят к критериям гомохронности (Но), Эйлера (Eu), Рейнольдса (Re) и Фруда (Fr). Первые два критерия не оказывают влияния на тепловые процессы и используются при решении чисто гидравлических задач.

Граничным условием тепловых процессов является равенство тепловых потоков теплопроводности пограничного слоя теплоносителя и теплоотдачи q=aÑt=ldt/dx. После зачеркивания знаков дифференцирования и приведения к безразмерному виду, получим определяемый критерий тепловых задач – критерий Нуссельта

Nu=aL/l. (2.21)

Критерий Нуссельта характеризует теплообмен в пограничном слое.

Решением системы дифференциальных уравнений, описывающих тепловой процесс, является критериальное уравнение

Nu=f(Re,Fr,Pe,Fo). (2.22)

Использование критерия Пекле во многих случаях неудобно, т.к. он включает в себя скорость потока. Вместо него используется отношение критериев Пекле и Рейнольдса, получившего название критерия Прандтля

Pr=Pe/Re=n/a, (2.23)

который отражает влияние теплофизических свойств теплоносителя на теплоотдачу.

При свободной конвекции режим движения теплоносителя определять по значениям числа Рейнольдса невозможно, т.к. скорость движения определять сложно. По этой причинœе для отражения влияния на тепловой процесс режима свободного движения теплоносителя используется критерий Аpхимеда Ar=gL³Ñr/(rv²), в котором отношение разности плотностей среды и частицы к плотности среды Ñr/r заменено произведением температурного напора на коэффициент термического расширения теплоносителя bÑt . Такой модифицированный критерий Аpхимеда принято называть критерием Грасгофа и характеризует режим движения теплоносителя при свободной конвекции:

Cr=gL³bÑt/v². (2.24)

Общее для всœех тепловых процессов критериальное уравнение, с введением параметрических критериев Г₁ и Г₂, будет иметь вид

Nu=f(Re,Сr,Pr,Fo,Г₁,Г₂). (2.25)

Для отдельных случаев теплообмена уравнение (2.25) упрощается. При стационарном ходе процесса опускается критерий Фурье. При отсутствии вынужденного движения теплоносителя из уравнения исключается критерий Рейнольдса. Так как температура пограничного слоя отличается от температуры ядра потока, следовательно, и физические свойства также будут отличаться от соответствующих параметров основного потока. Так, при нагревании вязкость пограничного слоя будет ниже, чем у основного потока. В результате чего скорость пограничного слоя окажется больше той, которая бы наблюдалась у изотермического потока. По этой причинœе коэффициент теплоотдачи при нагревании жидкостей будет больше, чем при их охлаждении. Кроме изменения вязкости в пограничном слое изменяются и другие физические константы. Учёт влияния этого фактора проводится введением в критериальное уравнение отношения Pr/Pr_ст, в котором критерий Pr выбирается при средней температуре теплоносителя, а Pr_ст – для теплоносителя при средней температуре стенки. Для газов изменения вязкости компенсируются изменениями теплоемкости, теплопроводности и плотности, и в связи с этим критерий Прандтля мало зависит от температуры, а отношение Pr/Pr_стʼʼ1.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, для свободной конвекции критериальное уравнение имеет вид

Nu=C(Pr Cr)ⁿ(Pr/Pr_ст)^0,25, (2.26)

где Pr_ст=n/a – критерий Прандтля для теплоносителя в пограничном слое (определяется при средней температуре стенки); С, n, k – эмпирические константы, зависящие от вида поверхности и режима теплоотдачи.

Режим свободной конвекции определяется по значениям произведения критериев Прандтля и Грасгофа.

На рисунке 2.4 приведена схема естественных токов теплоносителя у вертикальной горячей стенки. Пограничный ламинарный слой теплоносителя начинает формироваться у нижней кромки стенки. По мере подъема его толщина, за счёт вовлечения в движение новых порций теплоносителя, увеличивается (зона I). Одновременно растет и скорость движения.

При достаточно больших значениях скорости ламинарный поток распадается на два подслоя: ламинарный 1 и турбулентный 2. На некотором расстоянии идет стабилизация режима движения и поток движется в переходном режиме (зона II). В верхней части стенки режим движения потока турбулентный (зона III). При этом у стенки остается гидравлический пограничный слой, движущийся ламинарно. Распределœение температур по нормали к стенке в ламинарно движущемся теплоносителœе линœейное, в турбулентном потоке криволинœейное (см.рис.2.4,в).

В соответствии с изменением толщины и режима движения пограничного слоя изменяются локальные значения коэффициента теплоотдачи. В ламинарной зоне коэффициент теплоотдачи уменьшается, т.к. возрастает толщина пограничного слоя и, следовательно, увеличивается его термическое сопротивление. В переходной зоне, в связи с уменьшением толщины ламинарно движущегося потока, коэффициент теплоотдачи растет. В турбулентной зоне гидравлический пограничный слой стабилизирован и коэффициент теплоотдачи практически постоянен (см.рис.2.4,б). Средние значения коэффициента теплоотдачи для стенки определяются по критериальному уравнению (2.26).

В качестве определяющего размера в критериальных уравнениях используется размер поверхности по вертикали: для горизонтальных плит – размер меньшей стороны, горизонтальных стержней и труб – диаметр.
Размещено на реф.рфОпределяющей температурой является температура теплоносителя вдали от поверхности теплообмена. Значения критерия Pr_ст берутся для теплоносителя при температуре стенки. Для газов критерий Прандтля мало зависит от температуры, и отношение Pr/Pr_ст можно считать равным единице.

При теплоотдаче внутри замкнутых объёмов (узких щелях, плоских и кольцевых зазорах) при (Pr Cr)>1000 образуется серия циркуляционных токов. И в данном случае физические свойства выбираются при средних температурах стенок, в качестве определяющего размера используется толщина зазора и принимается Pr=Pr_ст.

Таблица 2.1

Значения эмпирических констант в формуле (2.26)

Случаи теплоотдачи	(Cr×Pr)	А	n
Вертикальные поверхности	103…109	0,76	0,25
То же	>109	0,15	0,33
Горизонтальные цилиндры. Сфера	103…108	0,50	0,25
Горизонтальные плиты (горячие, обращенные вверх, и холодные, обращенные вниз)	105…2×107	0,54	0,25
То же	2×102...3×1010	0,14	0,33
Горизонтальные плиты (горячие, обращенные вниз, и холодные, обращенные вверх)	105…2×107	0,27	0,25
То же	2×102...3×1010	0,07	0,33
Узкие щели	>1000	0,18	0,25

При (Pr Cr)<1000 в узких щелях свободное движение теплоносителя практически отсутствует и тепло передается теплопроводностью. В случае если горячая поверхность в горизонтальных щелях располагается сверху, то конвекция также отсутствует.

При вынужденной конвекции перенос тепла происходит за счёт движения теплоносителя, вызванного действием внешнего перепада давлений. Интенсивность переноса тепла определяется распределœением температур, режимом движения и свойствами теплоносителя, размерами, формой и ориентацией поверхности теплоотдачи. Численные значения коэффициента теплоотдачи при вынужденной конвекции колеблются в широких пределах от нескольких десятков кВт/(м²×К) до нескольких десятков Вт/(м²×К). Большие значения относятся к воде и жидким металлам, малые – к газам.

Рассмотрим некоторые частные случаи вынужденной конвекции.

При поперечном обтекании цилиндрических поверхностей (рис. 2.5,а) набегающий поток огибает поверхность цилиндра и создает на его поверхности гидравлический пограничный слой 1. Толщина этого слоя минимальна в лобовой части. По мере ухода от лобовой части она растет и достигает максимальных значений при j=95¼105°. В этом месте наблюдается срыв пограничного слоя, и в кормовой части возникает турбулентная зона 2, образующая кормовой след. Толщина гидравлического ламинарного пограничного слоя в кормовой части уменьшается. В соответствии с изменениями толщины гидравлического пограничного слоя изменяются и локальные значения коэффициента теплоотдачи (рис. 2.5,б). При ламинарном набегающем потоке коэффициент теплоотдачи ниже, чем в лобовой части, а при движении теплоносителя в турбулентном режиме соотношение между локальными значениями в лобовой и кормовой части меняется на противоположное. Средние значения коэффициента теплоотдачи определяются из критериального уравнения.

Nu=AReⁿPr^m(Pr/Pr_ст)^0,25e_je_n. (2.27)

При обтекании одиночных труб и их пучков в критериальные уравнения вводится поправочный коэффициент на угол атаки (угол между вектором скорости теплоносителя и осью труб) e_j. Для углов атаки j=90°, 70°, 50° и 30° поправочный коэффициент e_j равен 1,0, 0,98, 0,88 и 0,67, соответственно. При омывании труб и их пучков с углами атаки j<10° расчет ведут по уравнениям для каналов.

При переходе от предшествующего ряда труб пучка к последующему коэффициент теплоотдачи увеличивается. Начиная с третьего ряда это увеличение незначительно, в связи с этим по критериальным уравнениям находится коэффициент теплоотдачи для третьего и последующих рядов пучка. Поправочный коэффициент на число рядов определяется по формуле

e_n=[0,6n₁+an₂+(n-n₁-n₂)]/n, (2.28)

где n₁, n₂ и n – число труб в первом ряду, во втором и пучке в целом; а – константа͵ учитывающая тип пучка (для коридорных пучков а=0,9 и для шахматных а=0,7). Интенсивность теплоотдачи в шахматных пучках выше, чем в коридорных. В шахматных пучках трубы предшествующего ряда направляют поток на трубы последующего ряда, а в коридорном пучке трубы предшествующих рядов заслоняют последующие трубы и степень турбулизации потока теплоносителя снижается. Это обстоятельство учитывается константами критериальных уравнений.

Расчет коэффициента теплоотдачи при вынужденной конвекции проводится по критериальным уравнениям вида:

– для газов и жидкостей в трубах и каналах

Nu=AReⁿPr^mСr^k(Pr/Pr_ст)^0,25e₁e₂; (2.29)

– для жидких металлов в трубах и каналах

Nu=A+nPe^m ; (2.30)

– для аппаратов с мешалками

Nu=ARe_мⁿPr^m(m/m_ст)^k; (2.31)

– для пленочного течения жидкостей

Nu_пл=AReⁿ_плPr^m(d_пр/Н)^k; (2.32)

– между теплоносителœем и слоем зернистого материала

Nu_о=A(Re_о/e)ⁿPr^m; (2.33)

– между газом и жидкой пленкой, стекающей по насадке

Nu=ARe_оⁿRe ^m_жPr^k_ж , (2.34)

где e₁, e₂ – поправочные коэффициенты на учет факторов, не вошедших в дифференциальные уравнения (участок тепловой и гидравлической стабилизации, кривизна потока, расположение труб в трубной решетке и др.); А, k, n и m – эмпирические константы, зависящие от вида поверхности теплоотдачи и режима движения теплоносителя (табл.2.2); Nu_пл=ad_пр/l и Re_пл=4Г/m – модифицированные критерии Нуссельта и Рейнольдса для пленки; d_пр=(n²/g)^0,33 – приведенная толщина пленки; Н – высота стенки (трубы); Nu_о=ad_o/l и Re_о=w_od_o/n – модифицированные критерии Нуссельта и Рейнольдса для слоя зернистого материала; d_о и e – диаметр частиц и порозность слоя зернистого материала; Re_ж=4G/(am) – модифицированный критерий Рейнольдса для жидкости, орошающей насадку; а – удельная поверхность насадки; G – массовый расход жидкости.

Остановимся на механизме влияния факторов, не учтенных в дифференциальных уравнениях и учитываемых в критериальных уравнениях поправочными коэффициентами.

При движении теплоносителя в трубах и каналах вводится поправка на участок тепловой и гидравлической стабилизации e_L/d, на котором идет формирование теплового и гидравлического пограничных слоев. Этот участок находится между входным сечением канала и сечением, в котором отсутствуют частицы теплоносителя с температурой, равной его температуре на входе в канал. На этом участке толщина пограничных слоев растет, следовательно, термическое сопротивление теплоотдаче увеличивается и коэффициент теплоотдачи уменьшается. За пределами участка тепловой стабилизации коэффициент теплоотдачи практически не изменяется. Учёт влияния этой поправки проводят только для коротких труб и каналов, у которых отношение длины к эквивалентному диаметру меньше 50. При ламинарном режиме движения e_L/d=(L/d)^0,4. Для турбулентного режима движения величина поправочного коэффициента достигает 1,65, зависит от критерия Рейнольдса и отношения L/d и её значения приводятся в литературе [17].

В изогнутых трубах и каналах за счёт дополнительной турбулизации потока под действием центробежных сил наблюдается увеличение коэффициента теплоотдачи (по сравнению с течением по прямолинœейным траекториям). Это увеличение коэффициента теплоотдачи учитывается поправочным коэффициентом на кривизну трубы, определяемым по формуле

e_d/R=1+1,77d_э/R, (2.35)

где d_э и R – эквивалентный диаметр канала и его радиус кривизны.

Для вертикальных каналов иногда учитывается влияние направлений свободного и вынужденного движений теплоносителя. При совпадении их направлений рекомендуется увеличивать, а в случае противоположности направлений уменьшать коэффициент теплоотдачи на 5¼10%.

Таблица 2.2

Значения эмпирических коэффициентов в формулах (2.27) и (2.34)

Форма поверхности и потока	Границы применения	Формула	А	n	m	k
В трубах и каналах	Re<2320	2.29	0,15	0,33	0,43	0,1
Re=2320…104	0,008	0,9	0,43	–
Re>10000	0,021	0,8	0,43	–
Обтекание плиты	Re<105	0,66	0,5	0,33	–
Re>105	0,037	0,8	0,43	–
Обтекание трубы	Re=5…103	0,5	0,5	0,38	–
Re=103…2×105	0,25	0,6	0,38	–
Re=(2…20)×105	0,023	0,8	0,37	–
Обтекание пучка труб	Re<103	2.27	0,56	0,5	0,36	–
Коридорный пучок	Re>103	0,22	0,65	0,36
Шахматный пучок	Re>103	0,4	0,6	0,36
Жидкие металлы	Re=20…104	2.30	4,56	0,025	0,08
Аппараты с листовыми мешалками к стенке	2.31	0,36	0,67	0,43	0,14
То же к змеевику	0,87	0,62	0,43	0,14
То же с якорными мешалками (dм/D=0,94)	Re<40	0,003	0,9	0,68	0,7
Вертикальная стенка	Re<2320	2.32	0,67	0,11	0,33	0,33
Re>2320	0,01	0,33	0,33
Горизонтальный пучок труб с поперечным шагом S1/dн=1,7¼2		0,005	0,33	0,33
Слой зернистого материала	Reo/e<200	2.33	0,0035	1,5	0,33	–
Reo/e>200	0,4	0,67	0,33	–
Псевдоожиженный слой	Reo/e<200	0,016	1,3	0,33	–
Reo/e>200	0,4	0,4	0,33	–
Для воздушных скрубберов	2.34	0,01	0,7	0,7	0,33

Для определœения коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении теплоносителœей в каналах в переходном режиме (Re=2100¼10000) надежных формул нет. При проектных расчетах рекомендуется данный режим избегать, изменяя скорости теплоносителœей (или сечение аппаратов). В случае если же этого не удается, то можно воспользоваться критериальным уравнением (2.36), для которого в таблице 2.3 приведены значения постоянного сомножителя.

Nu=K_oPr^0,43(Pr/Pr_ст )^0,25, (2.36)

где К_о – функция от критерия Рейнольдса.

Таблица 2.3

Постоянный сомножитель К_о

referatwork.ru

Элементарные способы передачи теплоты. (Виды процессов теплообмена)

Различают три элементарных способа передачи теплоты:

1. Теплопроводность (кондукция);

2. Конвекция;

3. Тепловое излучение (радиационный теплообмен).

Теплопроводность (кондукция) – способ передачи теплоты за счет взаимодействия микрочастиц тела (атомов, молекул, ионов в электролитах и электронов в металлах) в переменном поле температур.

Теплопроводность имеет место в твердых, жидких и газообразных телах. В твердых телах теплопроводность является единственным способом передачи теплоты. В вакууме теплопроводность отсутствует.

Конвекция – способ передачи теплоты за счет перемещения макрообъемов среды из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом текучая среда (флюид) с более высокой температурой перемещается в область более низких температур, а холодный флюид – в область с высокой температурой. В вакууме конвекция теплоты невозможна.

Тепловое излучение (радиационный теплообмен) – способ передачи теплоты за счет распространения электромагнитных волн в определенном диапазоне частот.

Замечания:

– все тела выше 0 К обладают собственным тепловым излучением, то есть энергию излучают все тела;

– для передачи теплоты излучением не требуется тело-посредник, т.е. лучистая энергия может передаваться и в вакууме.

В природе и в технических устройствах, как правило, все три способа передачи теплоты происходят одновременно. Такой теплообмен называется сложным теплообменом.

Например, конвекция теплоты всегда протекает совместно с теплопроводностью, так как макрообъемы текучей среды состоят из микрообъемов, и есть неравномерное по пространству температурное поле. Передача теплоты совместно теплопроводностью и конвекцией называется конвективным теплообменом.

Совместная передача теплоты излучением и теплопроводностью называется радиационно-кондуктивным теплообменом.

Совместная передача теплоты излучением и конвекцией называется радиационно-конвективным теплообменом.

В природе и технике наиболее часто встречаются следующие два варианта сложного теплообмена:

– теплоотдача – процесс теплообмена между непроницаемой твёрдой стенкой и окружающей текучей средой;

– теплопередача – передача теплоты от одной текучей среды к другой текучей среде через непроницаемую твёрдую стенку.

Теплоотдача. График температурного поля при теплоотдаче показан на рис. 3. Температура текучей среды изменяется в очень узкой области, которая называется тепловым пограничным слоем.

Рис. 1.3. Схема процесса теплоотдачи: T_w – температура стенки; T_f – температура текучей среды; δ_q – толщина теплового пограничного слоя.

Заметим, что в зависимости от соотношения температур стенки T_w и флюида T_f тепловой поток Q может нагревать стенку при условии  или охлаждать ее, если .

Процесс теплоотдачи может быть осуществлен сочетанием следующих элементарных процессов теплообмена:

– конвективная теплоотдача (конвекция + теплопроводность = конвективный теплообмен) – имеет место при омывании твердых поверхностей различной формы текучей средой ( лученепрозрачной капельной жидкостью);

– лучистая или радиационная теплоотдача (тепловое излучение) – имеет место при радиационном теплообмене в вакууме или между стенкой и излучающим и поглощающим неподвижным газом;

– радиационно-конвективная теплоотдача (тепловое излучение + конвективный теплообмен) – наиболее часто встречающийся в практике расчетов случай сложного теплообмена;

– конвективная теплоотдача при фазовых превращениях теплоносителя (конвекция + теплопроводность + возможно излучение) – теплоотдача при конденсации и кипении, протекающая с выделением или поглощением теплоты фазового перехода.

Расчет теплоотдачи заключается в определении теплового потока, которым обмениваются стенка и текучая среда. В инженерных расчетах теплоотдачи используется, так называемый закон теплоотдачи – закон Ньютона (1701 г.):

,

где Q – тепловой поток, Вт;  – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К); T_f и T_w – температура текучей среды и стенки; F – площадь поверхности теплообмена.

Теплопередача. В курсе ТМО изучают расчет теплопередачи через стенки плоской, цилиндрической, сферической и произвольной формы. В нашем кратком курсе ограничимся расчетом теплопередачи через плоскую и цилиндрическую стенки. График температурного поля при теплопередаче через плоскую стенку показан на рис. 4.

Рис. 1.4. Схема процесса теплопередачи: T_f,1 и T_f,2 – температура горячего и холодного флюида (текучей среды); T_w,1 и T_w,1 – температура поверхностей плоской стенки; δ – толщина плоской стенки.

Итак, теплопередача включает в себя следующие процессы:

а) теплоотдачу от горячей текучей среды (горячего теплоносителя) к стенке;

б) теплопроводность внутри стенки;

в) теплоотдачу от стенки к холодной текучей среде (холодному теплоносителю).

Тепловой поток при теплопередаче, передаваемый от горячего флюида с температурой T_f,1 к холодному флюиду с температурой T_f,2 , рассчитывается по формуле (для плоской стенки):

,

где – коэффициент теплопередачи через плоскую стенку, Вт/(м²·К); R_t – термическое сопротивление теплопроводности плоской стенки, (м²·К)/Вт..

В заключение первого раздела курса можно сделать вывод о том, что для решения основной задачи расчета теплообмена – определения температурных полей и тепловых потоков при теплоотдаче и теплопередаче – необходимо уметь рассчитывать три элементарных способа передачи тепловой энергии.

studopedia.ru