Կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցում: Ինչ է ջերմության փոխանցման գործակիցը, դրա չափը, ինչպես որոշել այն հաշվարկներ կատարելու համար

Համաձայն կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցման հավասարման, որը նաև կոչվում է Նյուտոն-Ռիչմանի օրենքը, ջերմային հոսքը ուղիղ համեմատական ​​է պատի և հեղուկի ջերմաստիճանների և ջերմափոխանակման մակերեսի տարածքի տարբերությանը: Այս հավասարման մեջ համաչափության գործակիցը կոչվում է միջին կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցման գործակից.

, (1)

կամ
, (2)

կամ
, (3)

որտեղ Q-ը ջերմային հոսքն է, W; q = Q / F - մակերեսային ջերմային հոսքի խտություն, Վտ / մ 2; - կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցման միջին գործակիցը, W / (m 2 ∙ K);
- ջերմային փոխանցման ջերմաստիճանի ղեկավար, о С; - ջերմափոխանակման մակերեսի (պատի) ջերմաստիճանը, о С; - հեղուկի ջերմաստիճանը պատից հեռու, о С; F-ը ջերմափոխանակման մակերեսի (պատի) մակերեսն է, մ 2:

Անկախ ջերմային հոսքի ուղղությունից (պատից հեղուկ կամ հակառակը) մենք այն դրական կհամարենք, այսինքն՝ կօգտագործենք ջերմաստիճանի տարբերության մոդուլը։

Ջերմային փոխանցման գործակիցի արժեքը կախված է մեծ թվով տարբեր գործոններից՝ ա) հեղուկի ֆիզիկական հատկություններից. բ) հեղուկի շարժման արագությունը. գ) ջերմափոխանակման մակերեսի ձևը, չափը և կողմնորոշումը տարածության մեջ. դ) ջերմաստիճանի տարբերության մեծությունը, ջերմության փոխանցման ուղղությունը և այլն: Ուստի դրա տեսական սահմանումը շատ դեպքերում անհնար է։

Արտահայտությունները (1) - (3) թույլ են տալիս փորձարարականորեն որոշել ջերմության փոխանցման միջին գործակիցը` չափելով Q, F արժեքները, և
:

, (4)

այսինքն, միջին ջերմային հաղորդման գործակիցը թվայինորեն հավասար է ջերմափոխանակման մակերեսի միավորի միջոցով փոխանցվող ջերմային հոսքին միավորի ջերմաստիճանի գլխում (1 մոտ C կամ 1 Կ):

3. Տեղական (տեղական) կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործակից

Ջերմային փոխանցման միջին գործակիցը ջերմափոխանակման գործընթացների կարևոր, բայց ոչ միշտ բավարար հատկանիշ է: Շատ դեպքերում ջերմափոխանակման գործակիցների արժեքները պահանջվում են ջերմափոխանակման մակերեսի առանձին կետերում, այսինքն՝ տեղական (տեղական) արժեքներ։ Տեղական գործակիցները բնութագրում են ջերմության փոխանցումը տվյալ կետի մոտակայքում (x) և ներառված են տեղական ջերմային փոխանցման հավասարման մեջ.

, (5)

կամ
, (6)

որտեղ dF - տարրական (անվերջ փոքր) ջերմափոխանակման մակերես x կետի մոտակայքում, մ 2;
- տարրական ջերմային հոսք, W;
- տեղական ջերմային հոսքի խտություն, Վտ / մ 2;
- կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցման տեղական գործակից, W / (m 2 ∙ K);
- տեղական ջերմաստիճանի գլուխ, о С; - մակերեսի (պատի) տեղական ջերմաստիճանը, о С;
- հեղուկի ջերմաստիճանը պատից հեռու (ենթադրում ենք, որ այն հաստատուն է ջերմության փոխանցման ողջ մակերևույթի երկայնքով), մոտ C.

(5) և (6) արտահայտություններից հետևում է, որ տեղական ջերմային փոխանցման գործակիցները, սկզբունքորեն, կարելի է գտնել էմպիրիկորեն՝ չափելով արժեքները.
, Դ Ֆ, և
կապված համապատասխան անվերջ փոքր տարածքի հետ.

. (7)

Գործնականում մակերևույթի երկայնքով ընտրվում է վերջավոր, բայց բավականին փոքր հատվածների անհրաժեշտ քանակը և չափումներ են կատարվում մակերեսի յուրաքանչյուր i-րդ հատվածի համար.

, (8)

որտեղ - ջերմային փոխանցման գործակիցի միջին արժեքը i-րդ հատվածի համար, W / (m 2 ∙ K);
- i-րդ հատվածի մակերեսը, մ 2;
- ջերմային հոսք i-րդ հատվածում, W;
i-րդ ​​հատվածի մակերեսի միջին ջերմաստիճանի արժեքն է.
- ջերմային հոսքի միջին խտությունը i-րդ հատվածում, Վտ / մ 2; i = 1,2,…, n - հաջորդ բաժնի համարը; n-ը կայքերի քանակն է:

Ջերմափոխադրման դեպքում ուղղահայաց մակերեսի վրա առանձնացվում են նույն բարձրության n հատվածներ (տե՛ս նկ. 4): Եթե ​​մենք չափում ենք մակերեսի ջերմաստիճանը ընտրված տարածքների սահմաններում՝ սկսած դրա ստորին եզրից (i = 1), ապա i-րդ տարածքի միջին ջերմաստիճանը կորոշվի բանաձևով.

. (9)

Ջերմային փոխանցման գործակցի (8) միջին արժեքը փոքր i-րդ հատվածի համար տեղական ջերմային փոխանցման գործակցի (7) մոտավոր արժեքն է: Որքան փոքր է հողամասի չափը, այնքան ավելի ճշգրիտ կլինի արդյունքը:

Ջերմային փոխանցման գործակիցների որոշման մեծ թվով փորձերի արդյունքները (8) ընդհանրացված են էմպիրիկ (փորձարարական) չափանիշի հավասարումների տեսքով (տես բաժին 5): Ապագայում այս հավասարումները օգտագործվում են ինժեներական հաշվարկներում ջերմության փոխանցման գործակիցները որոշելու համար:

α - բնութագրում է կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման ինտենսիվությունը և կախված է հովացուցիչ նյութի արագությունից, ջերմային հզորությունից, մածուցիկությունից, մակերեսի ձևից և այլն:

[Վտ / (մ 2 գրադ)]:

Ջերմային փոխանցման գործակիցը թվայինորեն հավասար է մեկին փոխանցվող ջերմային հոսքի հզորությանը քառակուսի մետրմակերեսը հովացուցիչ նյութի և մակերեսի 1 ° C ջերմաստիճանի տարբերությամբ:

Կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործընթացների հաշվարկման հիմնական և ամենադժվար խնդիրը ջերմության փոխանցման գործակիցը գտնելն է. α ... Գործընթացի գործակիցը նկարագրելու ժամանակակից մեթոդներ. տեսության վրա հիմնված ջերմային հաղորդունակություն սահմանային շերտ, թույլ են տալիս ստանալ տեսական (ճշգրիտ կամ մոտավոր) լուծումներ որոշ բավականին պարզ իրավիճակների համար: Գործնականում հանդիպող շատ դեպքերում ջերմության փոխանցման գործակիցը որոշվում է փորձարարական եղանակով: Այս դեպքում և՛ տեսական լուծումների արդյունքները, և՛ փորձարարական տվյալները մշակվում են մեթոդներով տեսություննմանությունև սովորաբար ներկայացված են հետևյալ անչափ ձևով.

Նու=զ(Re, Պր) - հարկադիր կոնվեկցիայի համար և

Նու=զ(Գր Ռե, Պր) - ազատ կոնվեկցիայի համար,

որտեղ
- Nusselt համարը, - անչափ ջերմային փոխանցման գործակիցը ( Լ -հոսքի բնորոշ չափը, λ - ջերմային հաղորդունակության գործակից); Re=- Ռեյնոլդսի թիվը, որը բնութագրում է հոսքի մեջ իներցիոն ուժերի և ներքին շփման հարաբերակցությունը ( դուք -միջավայրի բնորոշ արագությունը, υ-ն մածուցիկության կինեմատիկական գործակիցն է);

Պր=- Prandtl թիվը, որը որոշում է թերմոդինամիկական գործընթացների ինտենսիվության հարաբերակցությունը (α-ն ջերմային դիֆուզիոն է);

Գր=
- Արքիմեդյան ուժերի, իներցիոն ուժերի և հոսքի ներքին շփման հարաբերակցությունը բնութագրող Գրաշոֆի թիվը ( g -ձգողության արագացում, β - ծավալային ընդլայնման ջերմային գործակից):

• Ինչից է կախված ջերմության փոխանցման գործակիցը: Նրա մեծության կարգը ջերմության փոխանցման տարբեր դեպքերի համար:

Կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցման գործակիցը α որքան շատ է, այնքան մեծ է ջերմային հաղորդունակության գործակիցը λ և հոսքի արագությունը w, որքան ցածր է υ դինամիկ մածուցիկության գործակիցը և այնքան բարձր է խտությունը ρ և որքան փոքր է կրճատված ալիքի տրամագիծը դ.

Կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման ամենահետաքրքիր դեպքը տեխնիկական կիրառությունների տեսանկյունից կոնվեկտիվ ջերմափոխանակությունն է, այսինքն՝ երկու փուլերի (պինդ և հեղուկ, պինդ և գազային, հեղուկ և գազային) միջերեսում տեղի ունեցող երկու կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործընթացը։ ): Այս դեպքում հաշվարկի խնդիրն է գտնել ջերմային հոսքի խտությունը միջերեսում, այսինքն՝ արժեքը, որը ցույց է տալիս, թե որքան ջերմություն է ստանում կամ տրվում միջերեսի միավորի կողմից ժամանակի միավորի համար: Բացի վերը նշված գործոններից, որոնք ազդում են կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցման գործընթացի վրա, ջերմային հոսքի խտությունը կախված է նաև մարմնի ձևից և չափից, մակերեսի կոշտության աստիճանից, ինչպես նաև մակերևույթի ջերմաստիճանից և ջերմափոխանակությունից: կամ ջերմակլանող միջավայր։

Կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցումը նկարագրելու համար օգտագործվում է բանաձևը.

ք ct = α(Տ 0 -Տ սբ ) ,

որտեղ ք ct - ջերմային հոսքի խտությունը մակերեսի վրա, Վտ / մ 2 ; α - ջերմության փոխանցման գործակից, W / (մ 2 ° С); Տ 0 և Տ սբ- համապատասխանաբար միջավայրի (հեղուկ կամ գազ) և մակերեսի ջերմաստիճանը. Արժեք Տ 0 - Տ սբ հաճախ նշանակում են Δ Տև կանչեց ջերմաստիճանի գլուխ . Ջերմային փոխանցման գործակիցը α բնութագրում է ջերմության փոխանցման գործընթացի ինտենսիվությունը. այն մեծանում է միջավայրի արագության մեծացմամբ և շարժման լամինարից տուրբուլենտ ռեժիմի անցնելու ժամանակ՝ կապված կոնվեկտիվ փոխանցման ուժեղացման հետ։ Այն նաև միշտ ավելի բարձր է ջերմահաղորդականության ավելի բարձր գործակից ունեցող կրիչների համար: Ջերմային փոխանցման գործակիցը զգալիորեն մեծանում է, եթե մակերեսի վրա տեղի է ունենում փուլային անցում (օրինակ՝ գոլորշիացում կամ խտացում), որը միշտ ուղեկցվում է թաքնված ջերմության արտազատմամբ (կլանմամբ): Ջերմային փոխանցման գործակիցի արժեքը մեծապես ազդում է զանգվածային փոխանցում մակերեսին.

Ջերմային փոխանցման գործակիցը որոշելու համար վերցրեք Nusselt թիվը (չափանիշ), որը ներառում է ջերմափոխանակման գործակիցը: Մնացած չափանիշները խաղում են այս ֆունկցիայի փաստարկների դերը և ընտրվում են կախված հեղուկի շարժման բնույթից: Այս կերպ կազմված ֆունկցիան կոչվում է չափանիշի հավասարում։ Հեղուկի հարկադիր շարժման համար, ըստ նմանության տեսության, կիրառվում են հետևյալ չափանիշային հավասարումները.

որտեղ
- ջերմային դիֆուզիոն գործակից.

Քանի որ գազերի համար Prandtl թիվը Pr = const, ուրեմն

Բնական կոնվեկցիայի դեպքում կիրառվում է չափանիշի հավասարումը.

- բնական կոնվեկցիա.

Ջերմային փոխանցում հարկադիր կոնվեկցիայի ժամանակ:

Հարկադիր կոնվեկցիայի համար ջերմության փոխանցման գործակիցը կախված է հաջորդ պայմանըՀեղուկի կամ գազի շարժման բնույթը: Ռեյնոլդսի թվի աճով տուրբուլենտությունը մեծանում է, ինչը նշանակում է, որ ջերմափոխանակությունը և α գործակիցը մեծանում են։ Re>-ում հարթ խողովակներում հեղուկի տուրբուլենտ շարժման համար
Նուսելտի թիվը հաշվարկելու համար կիրառվում է կայսերական հավասարումը.

Nu = 0,021
·
Ա

Ճիշտ է, եթե Ռեյնոլդսի համարը Re<
... Այստեղ Ա գործակիցը որոշվում է՝ ելնելով հեղուկի կամ գազի բնույթից և օգտագործվում է բանաձևը.

,

Որտեղ Przh-ը հեղուկի Պրանդտլի թիվն է:

Prst-ը պատի Prandtl համարն է:

Գազերի համար A = 1:

Ա գործակիցը հաշվի է առնում ջերմության հոսքի ուղղությունը։ Տաքացնելիս α-ն ավելի շատ է ստացվում, սառչելիս՝ ավելի քիչ։

l/d> 50-ի համար,

որտեղ l-ը խողովակի երկարությունն է

դ - խողովակի տրամագիծը.

α-ի արժեքը ստացվում է որպես միջինը խողովակի ողջ երկարությամբ:

Ջերմային փոխանցում ազատ կոնվեկցիայով:

Ազատ շարժման ընթացքում ջերմության փոխանցումը նկատվում է ջեռուցվող պատի երկայնքով և տեղի է ունենում ջերմաստիճանի տարբերության պատճառով: Ազատ կոնվեկցիայով հոսքի բնույթը լամինարից փոխվում է տուրբուլենտի, միաժամանակ փոխվում է նաև α ջերմափոխանակման գործակիցը։

;

С, n- Գործակիցներ, որոնք որոշվում են տեղեկատու գրքերից՝ կախված փաստարկների չափից (Gr; Pr)

λ-ն ջերմային հաղորդունակության գործակիցն է։

l-ն այն որոշիչ չափն է, որի համար վերցված է պատի բարձրությունը կամ ուղղահայաց խողովակի երկարությունը:

Հորիզոնական խողովակի դեպքում d տրամագիծը որոշվում է որպես որոշիչ հարթություն:

Ճառագայթային ջերմության փոխանցում:

Ջերմային ճառագայթումը մարմինների ներքին էներգիայի էլեկտրամագնիսական տատանումների էներգիայի փոխակերպման արդյունք է։ Ջերմային ճառագայթումը որպես էլեկտրամագնիսական ալիքների տարածման գործընթաց բնութագրվում է ալիքի երկարությամբ λ և տատանումների հաճախականությամբ.

c-ն լույսի արագությունն է։ (Վակուումի մեջ
մ/վ)

Ջերմային հոսքը, որն արտանետվում է բոլոր ալիքների երկարությամբ, մարմնի մակերեսի միավորով բոլոր ուղղություններով կոչվում է. մակերեսային ինտեգրալ ճառագայթման հոսքի խտությունը Ե .

Ճառագայթման էներգիայի մի մասը, որը տեղի է ունենում մարմնի վրա, կլանում է Eа-ն, մի մասը արտացոլվում է Er-ով և մասամբ թափանցում դրա միջով E∆:

Ea + Er + E∆ = Efall.

Այս ջերմային հաշվեկշռի հավասարումը կարող է գրվել անչափ ձևով.

Որտեղ A-ն կլանման գործակիցն է:

R-ն արտացոլման գործակիցն է:

D-ն հաղորդունակությունն է:

Այն մարմինը, որը կլանում է իր վրա ընկած ամբողջ ճառագայթումը, կոչվում է բացարձակ սև , նրա համար A = 1:

Մարմիններ, որոնց համար Ա<1 и зависит от длины волны падающего излучения называется մոխրագույն. Համար ամբողջովին սպիտակ մարմին R = 1, համար թափանցիկ D = 1.

Ե՛վ բացարձակ սև, և՛ ամբողջովին սպիտակ մարմին գոյություն չունեն, ջերմային ճառագայթները ներծծվում են մարմնի կողմից և վերածվում ատոմների և մոլեկուլների շարժման էներգիայի, որն առաջացնում է մարմնի ջերմաստիճանի բարձրացում: Ճառագայթման ինտենսիվությունը մեծանում է ճառագայթող մարմինների ջերմաստիճանի բարձրացմամբ։

Պինդ և հեղուկ մարմիններն արձակում են հիմնական սպեկտրի էլեկտրամագնիսական ալիքներ (0; ∞): Ջեռուցվող գազերը արտանետվում են միայն ալիքի երկարությունների որոշակի տիրույթում: Մարմինների համակարգերում ճառագայթային էներգիայի փոխադարձ արտանետման, կլանման, արտացոլման և փոխանցման ընդհանուր գործընթացը կոչվում է. ճառագայթային ջերմափոխանակություն.

Բացարձակ սև մարմնի ինտեգրալ ճառագայթման մակերևութային հոսքի խտությունը, կախված նրա ջերմաստիճանից, նկարագրված է Ստեֆան-Բոլցմանի օրենքով։

, որտեղ

σ0 = 5,67
- Ստեֆան-Բոլցմանի հաստատուն.

Տեխնիկական հաշվարկների համար Ստեֆան-Բոլցմանի օրենքը գրված է հետևյալ ձևով.

, որտեղ

С0 = σ0
= 5,67 բացարձակ սև մարմնի արտանետելիությունն է:

Այն մարմինները, որոնց մենք հանդիպում ենք գործնականում, ավելի քիչ ջերմային էներգիա են արտանետում, քան սև մարմինը նույն ջերմաստիճանում:

Ներքին ինտեգրալ ճառագայթման E-ի մակերևութային հոսքի խտության հարաբերակցությունը բացարձակ սև մարմնի E0 ինտեգրալ ճառագայթման մակերևութային հոսքի խտության հարաբերակցությունը նույն ջերմաստիճանում կոչվում է մարմնի սևության աստիճան:

Սևություն ( ) տարբեր մարմինների համար տատանվում է 0-ից մինչև 1՝ կախված նյութից, մակերեսի վիճակից և ջերմաստիճանից (հղման արժեք):

Էջ 1

Կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցման գործակիցներն այս դեպքում 10 կկալ/մ2 ժ աստիճանի կարգի են: Պարզվել է, որ մթնոլորտի ջերմաստիճանին մոտավորապես հավասար ջերմաստիճաններում ճառագայթային ջերմության փոխանցման գործակիցները 2 կկալ/մ2-ժ-դեգ կարգի են: Սա նշանակում է, որ նման պայմաններում հնարավոր չէ ճշգրիտ չափումներ կատարել սովորական ջերմաչափով։

Կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործակիցը a-ն կախված է ջերմաֆիզիկական հատկություններից, հովացուցիչ նյութի շարժման ջերմաստիճանից և արագությունից, ինչպես նաև ջերմափոխանակման մակերեսի կազմաձևից և չափերից:

Սգենի և պատուհանների ներքին մակերեսների վրա կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման գործակիցները՝ P 3 և pr 4 կկալ / մ 1 ժամ ցանց:

Ջերմափոխանակիչներում գազերի և խողովակների միջև կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման գործակիցները կամ վերականգնիչներում փաթեթավորումը որոշվում են տեղեկատու գրքերում և հատուկ ձեռնարկներում տրված բանաձևերով: Դրանցից մի քանիսը տրված են այս գրքի համապատասխան բաժիններում։ Բոլոր դեպքերում, կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման ինտենսիվությունը բարձրացնելու համար անհրաժեշտ է ձգտել գազերով բոլոր ջեռուցման մակերևույթների լվացման առավելագույն միատեսակությանը, օպտիմալ չափի նվազեցնել նյութի կողմից ձևավորված ալիքների խաչմերուկները: այն շերտում, որի միջով հոսում է հովացուցիչ նյութը, բարձրացնել հոսքի արագությունը տեխնիկական և տնտեսական հաշվարկներով հիմնավորված արժեքներին:

Օդի շերտում (դրսում) կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման գործակիցը շատ ավելի քիչ է, քան ջրի կամ գոլորշու շերտում (սարքի ներսում), հետևաբար, տաքացուցիչի համար արտաքին ջերմափոխանակման RH դիմադրությունը համեմատաբար բարձր է: Հետեւաբար, ջերմային հոսքը մեծացնելու համար անհրաժեշտ է զարգացնել ջեռուցիչի արտաքին մակերեսը: Սարքերում դա արվում է՝ ստեղծելով հատուկ ելուստներ, մակընթացություններ և կողիկներ: Այնուամենայնիվ, դա նվազեցնում է ջերմության փոխանցման գործակիցը:

Հեղուկների շարժման նույն արագությամբ միջավայրի և դրանում տեղադրված մարմնի միջև կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման գործակիցը շատ անգամ ավելի մեծ է, քան գազերի համար։ Հեղուկները անթափանց են ջերմային ճառագայթների նկատմամբ, գազերը՝ թափանցիկ։ Հետևաբար, գազերի ջերմաստիճանը չափելիս անհրաժեշտ է հաշվի առնել հաշվիչի մակերևույթի և խողովակի պատերի միջև ճառագայթային ջերմության փոխանցման հաշվիչի ջերմաստիճանի ազդեցությունը:

Կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցման գործակիցները փաթեթավորման և տաք գազի կամ օդի միջև որոշվում են փորձարարական տվյալների հիման վրա:

Կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործակիցը ak խիստ կախված է մանրաթելի տրամագծից և միջավայրի հարաբերական արագությունից՝ լամինար սահմանային շերտի հաստության կտրուկ փոփոխության պատճառով, որը համեմատելի է մանրաթելի տրամագծին:

Փաթեթավորման և տաք գազերի կամ օդի միջև կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման գործակիցները որոշվում են փորձարարական տվյալների հիման վրա:

Սենյակի պատերի կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործակիցը դրանում պարունակվող օդի հետ կազմում է 11 36 Վտ / մ 2 - աստիճան:

Հետևաբար, կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործակիցը կախված է ջերմամատակարարման եղանակից, իսկ բարդ ջերմափոխանակման դեպքում (կոնվեկցիա և ճառագայթում) այն շատ ավելի բարձր է, քան միայն կոնվեկտիվ ջերմափոխանակումը, մնացած բոլոր բաները հավասար են:

Սենյակի պարիսպների ուղղահայաց մակերևույթների վրա կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման գործակիցի միջին արժեքները կարող են որոշվել առանց մեծ սխալի (1.64) բանաձևով, քանի որ իրականում տեղի են ունենում ջեռուցվող և սառեցված մակերևույթների ջերմաստիճանի տարբերությունները և երկրաչափական չափերը: սովորաբար համապատասխանում են հիմնականում տուրբուլենտ ռեժիմին։ Բոլոր դիտարկված բանաձևերը, ներառյալ (1.64), գրված են ուղղահայաց ազատ կանգնած մակերեսի համար:

Կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման գործակիցը որոշելու համար սովորաբար օգտագործվում են չափանիշի հավասարումներ։ Այս հավասարումները ջերմության փոխանցման համար բնորոշ սենյակային պայմաններում տրված են աղյուսակում: 5 հարկադիր և ազատ կոնվեկցիայի համար: Դրանք վերաբերում են ափսեի մակերեսի շարժման պայմաններին: Նրանց բնորոշ է միակողմանիությունն ու միօրինակությունը, մի խոսքով` կանոնակարգված շարժումը։

Կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցման գործակից cc, (երբեմն նշվում է ots-ով) միջին արժեքը 0-ից մինչև կամայական խաչմերուկ / կարող է որոշվել ինտեգրալ միջին թեորեմի հիման վրա:

Բաժնի բովանդակությունը

Կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման հայեցակարգը ներառում է հեղուկի կամ գազի շարժման ընթացքում ջերմության փոխանցման գործընթացը: Այս դեպքում ջերմության փոխանցումը կատարվում է միաժամանակ կոնվեկցիայի և ջերմային հաղորդման միջոցով: Կոնվեկցիան հնարավոր է միայն հեղուկ միջավայրում, այստեղ ջերմության փոխանցումը անքակտելիորեն կապված է հենց միջավայրի փոխանցման հետ: Այս դեպքում ջերմային հաղորդունակությունը հասկացվում է որպես ջերմության փոխանցման գործընթաց տարբեր ջերմաստիճաններ ունեցող միջավայրի առանձին մասնիկների անմիջական շփման ժամանակ:

Կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցումը հեղուկի կամ գազի հոսքի և պինդ մարմնի մակերեսի միջև կոչվում է կոնվեկտիվ ջերմափոխանակում: Ինժեներական հաշվարկներում ջերմության փոխանցումը որոշվում է, մինչդեռ միջավայրի ներսում կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցումը անուղղակի հետաքրքրություն է ներկայացնում, քանի որ միջավայրի ներսում ջերմության փոխանցումը քանակապես պաշտպանված է ջերմափոխադրմամբ:

Գործնական հաշվարկներում օգտագործվում է Նյուտոն-Ռիչմանի օրենքը։ Օրենքի համաձայն ջերմային հոսքը - Q միջավայրից դեպի պատ կամ պատից դեպի միջավայր համաչափ է ջերմափոխանակման գործակիցին կոնվենցիայով - á к, ջերմափոխանակման մակերեսը - F և ջերմաստիճանի գլուխը - ∆t = t с -tw, այսինքն

Q = á к (t с -t w) ⋅F, W (կկալ / ժամ),

որտեղ՝ t հետ - մարմնի մակերեսի ջերմաստիճանը; t w-ը մարմինը շրջապատող հեղուկ կամ գազային միջավայրի ջերմաստիճանն է:

Ջերմային հոսքը - Q ջեռուցման միջավայրից դեպի տաքացվող միջավայրը դրանք բաժանող մակերևույթի (պատի) միջով համաչափ է ջերմափոխանակման գործակցին - k, ջերմափոխանակման մակերեսին - F և ջերմաստիճանի ղեկավար Δt, այսինքն.

Q = ê⋅∆t⋅F, W (կկալ / ժամ):

Ջերմաստիճանի ղեկավարը ∆t այս դեպքում միջին ջերմաստիճանի տարբերությունն է ջերմափոխանակության մեջ ներգրավված կրիչի ամբողջ ջեռուցման մակերեսի վրա: Ջերմափոխանակության կայուն ռեժիմում միջավայրի շարժման ուղիղ և հակահոսքի սխեմաների դեպքում ∆t-ը որոշվում է ջեռուցման և ջեռուցվող միջավայրի ջերմաստիճանների միջին լոգարիթմական տարբերությամբ՝ համաձայն բանաձևի.

∆տ = ∆տ բ - ∆տ մ, K (° C),

2,31 գ (∆ տ բ / ∆տ մ)

որտեղ՝ ∆ տ բ- ջերմային փոխանցման մակերևույթի վերջում մեդիայի միջև ջերմաստիճանի տարբերությունը, որտեղ այն ամենամեծն է, K (° C); ∆ տ մ- ջերմության փոխանցման մակերևույթի մյուս ծայրում գտնվող կրիչների միջև ջերմաստիճանի տարբերությունը, որտեղ այն ամենափոքրն է, K (° C); k-ն համաչափության գործակիցն է, որը կոչվում է ջերմային փոխանցման գործակից, W / (m 2 ⋅K) կամ կկալ / մ 2 ⋅ժամ⋅գր:

Այն արտահայտում է ջերմության քանակությունը վտտներով կամ կիլոկալորիաներով, որոնք փոխանցվում են ջեռուցման միջավայրից մեկ ժամվա ընթացքում 1 մ 2-ով ջեռուցվող միջերեսին՝ կրիչների միջև 1 աստիճան ջերմաստիճանի տարբերությամբ:

Հարթ մակերեսի և արտաքին տրամագծի և ներքին տրամագծի հարաբերակցությամբ խողովակների համար որպես d n≤ 2 ջերմության փոխանցման գործակիցը որոշվում է բանաձևով.

ê = 1, Վտ / (մ 2 Կ) կամ կկալ / մ 2 ⋅h⋅գրադ,

1 + S սմ + 1

á գր á á մերկ

որտեղ: á գր- ջերմային փոխանցման ջերմային դիմադրություն ջեռուցման միջավայրից մինչև միջերես մ 2 ⋅K / Վտ կամ մ 2 ⋅h⋅գրադ / կկալ (b - ջեռուցման միջավայրի կոնվեկտիվ ջերմափոխադրման գործակիցը);

ë - պատի ջերմային դիմադրություն; S սմ- պատի հաստությունը մ-ով; ë-ն պատի նյութի ջերմային հաղորդունակությունն է W/(m⋅K) կամ կկալ/m⋅ch⋅grad;

á մերկ- ջերմային դիմադրություն պատից տաքացվող միջավայր ջերմության փոխանցմանը մ 2 Կ / Վտ կամ մ 2 ⋅ h⋅գրադ / կկալ (á մերկՏաքացվող միջավայրին կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման գործակիցն է):

Ջեռուցման ագրեգատներում (կաթսաներ) գազերը (օդը) տաքացնելիս և հովացնելիս ջերմափոխանակման գործակիցը á է. Դեպիտատանվում է 17–58 Վտ/մ2 Կ (15–50 կկալ/մ2 ⋅h⋅գրադ) սահմաններում։ Ջուրը տաքացնելիս և հովացնելիս - 233-11630 Վտ / մ 2 Կ (200-10,000 կկալ / մ 2 ⋅h⋅grad) միջակայքում:

Ջերմային փոխանցման գործակից á Դեպիկախված է նրանից:

Միջավայրի հոսքի բնույթը, որը որոշվում է Ռեյնոլդսի չափանիշով

Re = Wd = ñ ⋅ W ⋅d;

Ներքին ջերմային դիմադրության հարաբերակցությունը արտաքին ջերմային դիմադրության é, որը կոչվում է Նուսելտի չափանիշ ë

Nu = á Դեպիդ;

Միջավայրի ֆիզիկական հատկությունները (հեղուկ, գազեր) բնութագրվում են Պրանդտի չափանիշով.

Pr = í c ñ = í.

Ջերմության փոխանցում տուրբուլենտ հոսքի ռեժիմում

Երկար խողովակների և ալիքների միջով տարբեր գազերի և հեղուկների տուրբուլենտ հոսքի դեպքում որոշելու ա. ԴեպիՄ.Ա.-ի ամենահաճախ օգտագործվող չափանիշի հավասարումը. Միխեևա.

(Re ≥ 10000 և é ≥ 50-ով). Nu = 0.021Re 0.8 Pr cf 0.43 (Pr cp) 0.25,

որտեղ Pr cf - Prandtl չափանիշի արժեքները գազերի և հեղուկների միջին ջերմաստիճանում, որը հավասար է խողովակի մուտքի և ելքի հոսքի ջերմաստիճանների կես գումարին. Pr st - Prandtl չափանիշի արժեքները գազերի և հեղուկների ջերմաստիճանում, որոնք հավասար են պատի միջին ջերմաստիճանին:

Ջերմային փոխանցման գործակից á Դեպիկարճ խողովակներում կամ խողովակներում (դ< 50) имеет большие значения по сравнению с длинными трубами или каналами. Уравнение М.А. Михеева для течения по коротким трубам или каналам:

Nu = 0,021Re 0,8 Pr cf 0,43 (Pr cp) 0,25 ⋅ ϕ

ϕ-ի արժեքները տրված են աղյուսակում: 7.20.

Օրինակ, այրման արտադրանքի համար Pr av չափանիշը 0,72 է, հավասարումը M.A. Միխեևան ընդունում է ձևը.

á Դեպիդ Wd

Երկար խողովակների համար Nu ≅ 0.018Re 0.8 կամ = 0.018 () 0.8;

á Դեպիդ Wd

Կարճ խողովակների համար Nu ≅ 0,018Re 0,8 ⋅ ϕ կամ = 0,018 () 0,8 ⋅ ϕ:

Ջերմային փոխանցման գործակիցները որոշվում են հետևյալ հավասարումներով.

Երկար խողովակների և խողովակների համար

á Դեպի= 0,018 ⋅ ⋅, W / m 2 K, (կկալ / մ 2 ժամ աստիճան):

Կարճ խողովակների և խողովակների համար

á Դեպի= 0,018 ⋅ ⋅ ⋅ ϕ, W / m 2 K, (կկալ / մ 2 ժամ աստիճան):

Գործակից բ Դեպիերբ տաքացումը հավասար չէ á-ի Դեպիգազերի սառեցման ժամանակ. Սառեցման մասին á Դեպիավելի ~ 1,3 անգամ, քան տաքացնելիս: Հետևաբար, ջերմության փոխանցման գործակիցը կոնվեկցիայի միջոցով ծխատար գազերի սառեցման ժամանակ տուրբուլենտ հոսքի ռեժիմում և Pr av = 0,72-ում պետք է որոշվի բանաձևով.

Երկար խողովակների համար á Դեպի= 0,0235 ⋅ ⋅, Վտ / մ 2 Կ, (կկալ / մ 2 ժամ աստիճան):

Կարճ խողովակների համար.

á Դեպի= 0,0235 ⋅ ⋅ ⋅ ϕ, W / m 2 K (կկալ / մ 2 ժամ աստիճան):

Օդի ֆիզիկական բնութագրերը տրված են 6.1 բաժնում: Ծխատար գազերի ֆիզիկական բնութագրերը տրված են աղյուսակում: 7.21. Հագեցվածության գծում ջրի համար Prandtl չափանիշի արժեքները տրված են 6.2 բաժնում:

Ջերմային փոխանցում լամինար հոսքի ռեժիմում

Ջերմային փոխանցման միջին գործակցի մոտավոր գնահատումը առավել հաճախ իրականացվում է M.A.-ի չափանիշների հավասարման միջոցով: Միխեև (Re ≤ 2200-ի համար).

á Դեպի= 0,15 ⋅ ⋅ Re 0,33 ⋅ Pr av 0,33 (Gr av ⋅ Pr av) 0,1 ⋅ () 0,25 ⋅ ϕ,

որը, բացի նախկինում ներկայացվածներից, ներառում է ևս մեկ չափանիշ՝ Gr, որը կոչվում է Գրաշոֆ չափանիշ, որը բնութագրում է գազերի բարձրացնող ուժը (հեղուկների համար ձգողականության ուժը)։

â ⋅ g ⋅ d 3 ⋅ ∆t

որտեղ՝ â - հեղուկի կամ գազերի ծավալային ընդլայնման գործակից, գազերի համար â = 273, 1 աստիճան:

g - ձգողականության արագացում (ծանրության արագացում), մ / վ 2;

դ - կրճատված տրամագիծ կամ ուղղահայաց պատերի համար - պատի բարձրություն, մ;

∆t-ը ջեռուցվող պատերի և միջավայրի (t st - t av) կամ (t av - t st) ջերմաստիճանի տարբերությունն է;

í - կինեմատիկական մածուցիկության գործակից, մ 2 / վ

ϕ գործակիցն է՝ հաշվի առնելով խողովակների հարաբերական երկարությունը՝ հավասար

Ջերմության փոխանցում խողովակների կապոցների հարկադիր լայնակի լվացման ժամանակ

Կոնվեկցիայի միջոցով ջերմության փոխանցման գործակիցը լայնակի լվացված միջանցքային խողովակի փաթեթում (նկ. 7.10).

á Դեպի= 0,206С z ⋅ С s ⋅ d í 0,65 ⋅ Pr 0,33, Վտ / (մ 2 Կ),

որտեղ՝ С z - գործակից՝ հաշվի առնելով խողովակների շարքերի թիվը z գազատարում գազերի ընթացքի երկայնքով, ժամը z.<10 С z = 0,91+0,0125 (z-2), а при z>10 C z = 1;

С s - գործակիցը, հաշվի առնելով խողովակի փաթեթի երկրաչափական դասավորությունը, կախված է երկայնական S 2 և լայնակի S 1 քայլերից,

С s = 1+ 2S 1 - 3 1– S 2 3 -2

ë - գազերի ջերմային հաղորդունակության գործակիցը միջին հոսքի ջերմաստիճանում, W / (m⋅K) կամ կկալ / m⋅h⋅gr;

դ - խողովակների արտաքին տրամագիծը, մ;

w - գազի միջին արագություն, մ / վ;

í - գազերի կինեմատիկական մածուցիկության գործակիցը միջին հոսքի ջերմաստիճանում, մ 2 / վ:

Ջերմային փոխանցման գործակիցը կոնվեկցիայի միջոցով խաչաձեւ լվացված խողովակի փաթեթում (նկ. 7.9.):

á Դեպի= С s ⋅ С z ⋅ d í 0,6 ⋅ Pr 0,33, W / (m 2 ⋅ K),

որտեղ՝ С s-ը կախված է S 1-ից և ϕ s-ից;

ϕ s = (S 1 / d - 1) (S ′ 2 / d), S ′ 2 - միջին անկյունագծային խողովակի քայլը (նկ. 7.9.);

0.1-ին< ϕ s ≤ 1,7 и при S 1 /d ≥ 3,0 С s = 0,34 ⋅ ϕ s 0,1 ;

ժամը 1.7-ին< ϕ s ≤ 4,5 и при S 1 /d < 3,0 С s = 0,275 ⋅ ϕ s 0,5 ;

z = 4-ով z-ով< 10 и S 1 /d ≥ 3.

Ջերմության փոխանցում խողովակային ջեռուցման մակերեսների հարկադիր երկայնական լվացման ժամանակ

Ջերմային փոխանցման գործակիցը կոնվեկցիայի միջոցով.

á Դեպի= 0,023 d eq í 0,8 ⋅ Pr 0,4 ⋅ С t ⋅ С d ⋅ С l, W / (m 2 ⋅К),

որտեղ՝ C t - ջերմաստիճանի գործակից՝ կախված միջավայրի և պատի ջերմաստիճանից՝ ջրի և գոլորշու համար, ինչպես նաև գազերի սառեցման ժամանակ C t = 1.0, երբ տաքացնում են այրման արտադրանքները և օդը C t = (T/T st) 0,5 , որտեղ T և T st-ը գազի, օդի և պատի ջերմաստիճանն է՝ K աստիճաններով;

C d - գործակից, որը ներդրվել է օղակաձև ալիքներում հոսքի ժամանակ, միակողմանի մակերևույթի ջեռուցմամբ 0,85 ≤ C d ≤ 1,5, երկկողմանի C d = 1;

С l - գործակիցը կախված ալիքի երկարությունից; խողովակների երկայնական լվացմամբ 1 ≤ С l ≤ 2, l> 50d С l = 1,0։

Կոնվեկցիայով ջերմության փոխանցման գործակիցների որոշման հատուկ բանաձևեր

Բարձր ջերմաստիճանի ջեռուցման միավորների համար (ըստ Ն.Ն.Դոբրոխոտովի).

á Դեպի= 10,5 Վտ 0, Վտ / մ 2 Կ (կամ á Դեպի= 9W 0, կկալ / մ 2 ժամ աստիճան), որտեղ W 0-ը գազերի արագությունն է վառարանի տարածքում, նկատի ունենալով 0 ° С, այսինքն. նմ 3 / վ:

40 × 40-ից 90 × 90 մմ չափսերով աղյուսով ալիքներով ծխատար գազերի (օդ) շարժման համար (ըստ M.S.Mamykin-ի).

W 0 0,8 4 W 0,8 4

á Դեպի= 0,9 √ T, W / m 2 K (կամ 0,74 √ T, կկալ / մ 2 ժամ աստիճան),

որտեղ՝ T-ը գազերի բացարձակ ջերմաստիճանն է, °K; դ - կրճատված տրամագիծը մ-ով;

Ցածր ջերմաստիճանում պատերի ուղղահայաց մակերևույթների երկայնքով օդի ազատ շարժման համար (ըստ M.S.Mamykin-ի).

á Դեպի= 2,56 √ t 1 - t 2, W / m 2 K (կամ 2,2 √ t 1 - t 2, կկալ / մ 2 ժամ աստիճան), որտեղ.

(t 1 - t 2) - ջերմաստիճանի տարբերությունը պատերի մակերեսների և գազի միջև: Դեպի վեր ուղղված հորիզոնական մակերևույթի համար 2,56 (2,2) գործակցի փոխարեն վերցվում է 3,26 (2,8), իսկ դեպի ներքև՝ 1,63 (1,4):

Վերականգնվող ջերմափոխանակիչների փաթեթների համար (ըստ M.S.Mamykin-ի).

á Դեպի= 8,72, Վտ / մ 2 ⋅K (կամ á Դեպի= 7,5, կկալ / մ 2 ⋅ժամ⋅գրադ):

Հանգիստ ջուր - մետաղական պատ (ըստ Հ. Կուլինգի).

á Դեպի= 350 ÷ 580, Վտ / (մ 2 ⋅K);

Հոսող ջուր՝ մետաղյա պատ (ըստ Հ. Կուլինգի).

á Դեպի= 350 + 2100 √ W, W / (m 2 ⋅K), որտեղ W արագությունն է մ / վրկ:

Օդ - հարթ մակերես (ըստ Հ. Կուլինգի).

á Դեպի= 5.6 + 4W, W / (m 2 ⋅K), որտեղ W-ն արագությունն է մ / վ:

Նկ. 7.17 – 7.22. նոմոգրամներ á-ի որոշման համար Դեպիգրաֆիկական մեթոդ.

Բրինձ. 7.17. Ջերմափոխադրման գործակիցը կոնվեկցիայով ներկառուցված հարթ խողովակների կապոցների լայնակի լվացման ժամանակ, αк = Cz⋅Cph⋅ан, W / m2⋅K (kcal / m2⋅h⋅grad) (rH2O-ը ջրային գոլորշու ծավալային մասն է)

Բրինձ. 7.18. Ջերմափոխադրման գործակիցը կոնվեկցիայով, աստիճանավոր հարթ խողովակների կապոցների լայնակի լվացման ժամանակ, αк = Cz⋅Cph⋅ан, W / m2⋅K (kcal / m2⋅h⋅grad), (rH2O-ը ջրային գոլորշու ծավալային մասն է)

Բրինձ. 7.19. Ջերմափոխադրման գործակիցը կոնվեկցիայի միջոցով հարթ խողովակների օդով և ծխատար գազերով երկայնական լվացման ժամանակ

Բրինձ. 7.20. Ջերմափոխադրման գործակիցը կոնվեկցիայի միջոցով հարթ խողովակների երկայնական լվացման ժամանակ ոչ եռացող ջրով, α = C ⋅ α, W / m2 ⋅K (կկալ / մ2 ⋅h⋅grad)

Բրինձ. 7.21. Ջերմափոխադրման գործակիցը կոնվեկցիայի միջոցով ափսե օդային տաքացուցիչների համար Re< 10000, αк = Cф⋅ αн, Вт/м2⋅К (ккал/м2⋅ч⋅град)

Բրինձ. 7.22. Ջերմափոխադրման գործակիցը կոնվեկցիայի միջոցով վերականգնվող օդային տաքացուցիչների համար Re ≤ 5200, ак = Cph⋅ ան, W / m2⋅К (կկալ / m2⋅h⋅grad)