Trasferimento di calore convettivo. Qual è il coefficiente di scambio termico, la sua dimensione, come determinarlo per eseguire calcoli

Secondo l'equazione di scambio termico convettivo, detta anche legge di Newton-Richmann, il flusso di calore è direttamente proporzionale alla differenza tra le temperature della parete e del liquido e l'area della superficie di scambio termico. Il coefficiente di proporzionalità in questa equazione è chiamato coefficiente di scambio termico convettivo medio:

, (1)

o
, (2)

o
, (3)

dove Q è il flusso di calore, W; q = Q / F - densità del flusso di calore superficiale, W / m 2; - il coefficiente medio di scambio termico convettivo, W / (m 2 ∙ K);
- testa di temperatura del trasferimento di calore, о С; - temperatura della superficie di scambio termico (parete), о С; - la temperatura del liquido lontano dalla parete, о С; F è l'area della superficie di scambio termico (parete), m 2.

Indipendentemente dalla direzione del flusso di calore (dalla parete al liquido o viceversa), lo considereremo positivo, cioè utilizzeremo il modulo della differenza di temperatura.

Il valore del coefficiente di scambio termico dipende da un gran numero di fattori diversi: a) le proprietà fisiche del liquido; b) la velocità di movimento del fluido; c) la forma, le dimensioni e l'orientamento nello spazio della superficie di scambio termico; d) l'entità della differenza di temperatura, la direzione del trasferimento di calore, ecc. Pertanto, la sua definizione teorica nella maggior parte dei casi è impossibile.

Le espressioni (1) - (3) consentono di determinare sperimentalmente il coefficiente di scambio termico medio misurando i valori di Q, F, e
:

, (4)

cioè, il coefficiente medio di scambio termico è numericamente uguale al flusso di calore trasmesso attraverso un'unità di superficie di scambio termico ad un'altezza di temperatura unitaria (1 circa C o 1 K).

3. Coefficiente di scambio termico convettivo locale (locale)

Il coefficiente medio di scambio termico è una caratteristica importante, ma non sempre sufficiente, dei processi di scambio termico. In molti casi, sono richiesti valori dei coefficienti di scambio termico nei singoli punti della superficie di scambio termico, ovvero valori locali (locali). I coefficienti locali caratterizzano il trasferimento di calore in prossimità di un dato punto (x) e sono inclusi nell'equazione del trasferimento di calore locale:

, (5)

o
, (6)

dove dF - superficie di scambio termico elementare (infinitesimale) in prossimità del punto x, m 2;
- flusso termico elementare, W;
- densità del flusso di calore locale, W / m 2;
- coefficiente locale di scambio termico convettivo, W / (m 2 ∙ K);
- prevalenza locale della temperatura, о С; - temperatura locale della superficie (muro), о С;
- la temperatura del liquido lontano dalla parete (si assume che sia costante lungo tutta la superficie di scambio termico), circa C.

Dalle espressioni (5) e (6) segue che i coefficienti di scambio termico locale, in linea di principio, possono essere trovati empiricamente misurando i valori
, dF, e
relativo alla corrispondente area infinitesimale:

. (7)

In pratica, lungo la superficie, si seleziona il numero richiesto di sezioni finite, ma piuttosto piccole, e si misurano per ogni i-esima sezione della superficie:

, (8)

dove - il valore medio del coefficiente di scambio termico per la sezione i-esima, W / (m 2 ∙ K);
- superficie della sezione i-esima, m 2;
- flusso termico all'interno della i-esima sezione, W;
è il valore medio della temperatura superficiale per la sezione i-esima;
- la densità media del flusso termico all'interno della i-esima sezione, W/m 2; i = 1,2,…, n - numero della sezione successiva; n è il numero di siti.

Nel caso del trasferimento di calore, si distinguono n sezioni della stessa altezza su una superficie verticale (vedi Fig. 4). Se misuriamo la temperatura superficiale ai confini delle aree selezionate, partendo dal suo bordo inferiore (i = 1), allora la temperatura media per l'area i-esima sarà determinata dalla formula

. (9)

Il valore medio del coefficiente di scambio termico (8) per la piccola sezione i-esima è un valore approssimativo del coefficiente di scambio termico locale (7). Più piccola è la dimensione del grafico, più accurato sarà il risultato.

I risultati di un gran numero di esperimenti sulla determinazione dei coefficienti di scambio termico (8) sono generalizzati sotto forma di equazioni di criterio empiriche (sperimentali) (vedi Sezione 5). In futuro, queste equazioni verranno utilizzate nei calcoli ingegneristici per determinare i coefficienti di scambio termico.

α - caratterizza l'intensità del trasferimento di calore convettivo e dipende dalla velocità del liquido di raffreddamento, dalla capacità termica, dalla viscosità, dalla forma della superficie, ecc.

[W / (m 2 grad)].

Il coefficiente di scambio termico è numericamente uguale alla potenza del flusso di calore trasmesso a uno metro quadro superficie ad una differenza di temperatura tra il liquido di raffreddamento e la superficie di 1 ° C.

Il problema principale e più difficile nel calcolo dei processi di scambio termico convettivo è trovare il coefficiente di scambio termico α ... Metodi moderni per descrivere il processo coeff. conducibilità termica basata sulla teoria strato limite, consentono di ottenere soluzioni teoriche (esatte o approssimative) per alcune situazioni abbastanza semplici. Nella maggior parte dei casi riscontrati nella pratica, il coefficiente di scambio termico viene determinato sperimentalmente. In questo caso, sia i risultati delle soluzioni teoriche che i dati sperimentali vengono elaborati con metodi teoriasomiglianza e sono generalmente rappresentati nella seguente forma adimensionale:

Nu=F(Re, Pr) - per convezione forzata e

Nu=F(Gr Re, Pr) - per convezione libera,

dove
- Numero di Nusselt, - coefficiente di scambio termico adimensionale ( L- dimensione caratteristica del flusso, λ - coefficiente di conducibilità termica); Rif=- Numero di Reynolds che caratterizza il rapporto tra le forze d'inerzia e l'attrito interno nel flusso ( tu - la velocità caratteristica del mezzo, è il coefficiente cinematico di viscosità);

prima=- il numero di Prandtl, che determina il rapporto tra le intensità dei processi termodinamici (α è la diffusività termica);

GR=
- Numero di Grasshoff che caratterizza il rapporto tra le forze di Archimede, le forze d'inerzia e l'attrito interno nel flusso ( G - accelerazione di gravità, β - coefficiente termico di dilatazione volumetrica).

• Da cosa dipende il coefficiente di scambio termico? Il suo ordine di grandezza per diversi casi di trasferimento di calore.

Coefficiente di scambio termico convettivo α tanto maggiore è il coefficiente di conducibilità termica λ e portata w, minore è il coefficiente di viscosità dinamica e maggiore è la densità ρ e minore è il diametro ridotto del canale D.

Il caso più interessante di trasferimento di calore convettivo dal punto di vista delle applicazioni tecniche è il trasferimento di calore convettivo, cioè il processo di due scambi di calore convettivi che si verificano all'interfaccia tra due fasi (solido e liquido, solido e gassoso, liquido e gassoso ). In questo caso, il compito del calcolo è trovare la densità del flusso di calore all'interfaccia, cioè il valore che mostra quanto calore viene ricevuto o dato da un'unità dell'interfaccia per unità di tempo. Oltre ai suddetti fattori che influenzano il processo di trasferimento del calore convettivo, la densità del flusso di calore dipende anche dalla forma e dalle dimensioni del corpo, dal grado di rugosità superficiale, nonché dalle temperature della superficie e dal trasferimento di calore o mezzo che assorbe il calore.

Per descrivere il trasferimento di calore convettivo, viene utilizzata la formula:

Q ct = α(T 0 -T sto ) ,

dove Q ct - densità del flusso di calore sulla superficie, W / m 2 ; α - coefficiente di scambio termico, W / (m 2 ° С); T 0 e T sto- temperature del fluido (liquido o gas) e della superficie, rispettivamente. Il valore T 0 - T sto spesso denotano Δ T e ho chiamato testa di temperatura . Coefficiente di scambio termico α caratterizza l'intensità del processo di trasferimento di calore; aumenta con l'aumento della velocità del mezzo e durante la transizione da un regime di moto laminare a uno turbolento in connessione con l'intensificazione del trasferimento convettivo. Inoltre è sempre più alto per quei mezzi con un coefficiente di conducibilità termica più elevato. Il coefficiente di scambio termico aumenta notevolmente se si verifica sulla superficie una transizione di fase (ad esempio evaporazione o condensazione), sempre accompagnata dal rilascio (assorbimento) di calore latente. Il valore del coefficiente di scambio termico è fortemente influenzato da trasferimento di massa sulla superficie.

Per determinare il coefficiente di scambio termico, prendi il numero di Nusselt (criterio), che include il coefficiente di scambio termico. Il resto dei criteri svolge il ruolo di argomenti di questa funzione e viene selezionato in base alla natura del movimento fluido. La funzione così composta è detta equazione criterio. Per il moto forzato di un fluido, secondo la teoria della similarità, si applicano le seguenti equazioni di criterio:

dove
- coefficiente di diffusività termica.

Poiché per i gas il numero di Prandtl Pr = const, allora

Con la convezione naturale, si applica l'equazione del criterio:

- convezione naturale.

Trasferimento di calore durante la convezione forzata.

Per la convezione forzata, il coefficiente di scambio termico dipende da condizione successiva: la natura del movimento di un liquido o di un gas. Con un aumento del numero di Reynolds, la turbolenza aumenta, il che significa che il trasferimento di calore e il coefficiente α aumentano. Per il moto turbolento del fluido in tubi lisci a Re>
, l'equazione imperiale viene applicata per calcolare il numero di Nusselt:

Nu = 0,021
·
UN

È vero se il numero di Reynolds Re<
... Qui, il coefficiente A viene determinato in base alla natura del liquido o del gas e viene utilizzata la formula:

,

Dove Przh è il numero Prandtl del liquido.

Prst è il numero Prandtl per la parete.

Per i gas A = 1.

Il coefficiente A tiene conto della direzione del flusso di calore. Quando riscaldato, α risulta di più, quando raffreddato - meno.

Per l / d> 50,

dove l è la lunghezza del tubo

d - diametro del tubo.

Il valore di α si ottiene come media sull'intera lunghezza del tubo.

Trasferimento di calore con convezione libera.

Il trasferimento di calore durante il movimento libero si osserva lungo la parete riscaldata e si verifica a causa della differenza di temperatura. La natura del flusso con convezione libera cambia da laminare a turbolento, e allo stesso tempo cambia anche il coefficiente di scambio termico α.

;

С, n- Coefficienti che sono determinati dai libri di riferimento a seconda della dimensione degli argomenti (Gr; Pr)

è il coefficiente di conducibilità termica.

l è la dimensione di definizione per la quale viene presa l'altezza della parete o la lunghezza del tubo verticale.

Nel caso di un tubo orizzontale, il diametro d è determinato come dimensione di definizione.

Trasferimento di calore radiante.

La radiazione termica è il risultato della trasformazione dell'energia interna dei corpi nell'energia delle oscillazioni elettromagnetiche. La radiazione termica come processo di propagazione delle onde elettromagnetiche è caratterizzata da una lunghezza d'onda e da una frequenza di oscillazioni:

c è la velocità della luce. (Nel vuoto
SM)

Viene chiamato il flusso di calore emesso a tutte le lunghezze d'onda con una superficie unitaria del corpo in tutte le direzioni densità del flusso di radiazione integrale superficiale E .

Parte dell'energia di radiazione Efall incidente sul corpo viene assorbita da Eа, parte viene riflessa da Er e in parte penetra attraverso di essa E∆.

Eа + Er + E∆ = Efall.

Questa equazione di bilancio termico può essere scritta in forma adimensionale:

dove A è il coefficiente di assorbimento.

R è il coefficiente di riflessione.

D è la trasmittanza.

Un corpo che assorbe tutta la radiazione incidente su di esso si chiama assolutamente nero , per lui A = 1.

Enti per i quali A<1 и зависит от длины волны падающего излучения называется grigio. Per corpo completamente bianco R = 1, per trasparente D = 1.

Non esistono né un corpo assolutamente nero né un corpo completamente bianco, i raggi di calore vengono assorbiti dal corpo e convertiti nell'energia del movimento di atomi e molecole, che provoca un aumento della temperatura corporea. L'intensità della radiazione aumenta con l'aumento della temperatura dei corpi radianti.

I corpi solidi e liquidi emettono onde elettromagnetiche dello spettro principale (0; ). I gas riscaldati emettono solo entro un certo intervallo di lunghezze d'onda. Il processo totale di reciproca emissione, assorbimento, riflessione e trasmissione dell'energia radiante nei sistemi di corpi è chiamato scambio di calore radiante.

La densità di flusso superficiale della radiazione integrale di un corpo assolutamente nero, a seconda della sua temperatura, è descritta dalla legge di Stefan-Boltzmann.

, dove

0 = 5,67
- Costante di Stefan-Boltzmann.

Per i calcoli tecnici, la legge di Stefan-Boltzmann si scrive nella forma:

,dove

0 = σ0
= 5.67 è l'emissività di un corpo assolutamente nero.

I corpi che incontriamo in pratica emettono meno energia termica di un corpo nero alla stessa temperatura.

Il rapporto tra la densità di flusso superficiale della radiazione integrale intrinseca E e la densità di flusso superficiale della radiazione integrale E0 di un corpo assolutamente nero alla stessa temperatura è chiamato grado di oscurità del corpo.

oscurità ( ) varia per corpi diversi da 0 a 1, a seconda del materiale, delle condizioni della superficie e della temperatura (valore di riferimento).

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I coefficienti di scambio termico convettivo in questo caso sono dell'ordine di 10 kcal/m2 h gradi. È stato riscontrato che i coefficienti di trasferimento del calore radiante a temperature approssimativamente uguali alla temperatura dell'atmosfera sono dell'ordine di 2 kcal / m2 - h - gradi. Ciò significa che in tali condizioni non è possibile alcuna misurazione accurata con un termometro convenzionale.

Il coefficiente di scambio termico convettivo a è funzione delle proprietà termofisiche, della temperatura e della velocità del movimento del refrigerante, nonché della configurazione e delle dimensioni della superficie di scambio termico.

Coefficienti di trasferimento di calore convettivo sulle superfici interne dello sgene e delle finestre: P 3 e pr 4 kcal / m 1 ora griglia.

I coefficienti di trasferimento del calore convettivo tra gas e tubi negli scambiatori di calore o nell'imballaggio nei rigeneratori sono determinati dalle formule fornite nei libri di riferimento e nei manuali speciali. Alcuni di essi sono riportati nelle sezioni corrispondenti di questo libro. In tutti i casi, al fine di aumentare l'intensità del trasferimento di calore convettivo, è necessario tendere alla massima uniformità di lavaggio di tutte le superfici riscaldanti con gas, per ridurre le sezioni trasversali dei canali formati dal materiale nello strato attraverso quale il liquido di raffreddamento scorre alla dimensione ottimale, e di aumentare la portata a valori giustificati da calcoli tecnici ed economici.

Il coefficiente di trasferimento di calore convettivo nello strato d'aria (esterno) è molto inferiore rispetto allo strato di acqua o vapore (all'interno del dispositivo), quindi la resistenza allo scambio termico esterno UR per il riscaldatore è relativamente alta. Pertanto, per aumentare il flusso di calore, è necessario sviluppare la superficie esterna del riscaldatore. Nei dispositivi, questo viene fatto creando speciali sporgenze, maree e nervature. Tuttavia, questo riduce il coefficiente di scambio termico.

Il coefficiente di trasferimento di calore convettivo tra il mezzo e il corpo posto in esso alle stesse velocità di movimento per i liquidi è molte volte maggiore che per i gas. I liquidi sono opachi ai raggi di calore, i gas sono trasparenti. Pertanto, quando si misura la temperatura dei gas, è necessario tenere conto dell'influenza sulla temperatura del contatore del trasferimento di calore radiante tra la superficie del contatore e le pareti del tubo.

I coefficienti di scambio termico convettivo tra l'imballaggio e il gas caldo o l'aria sono determinati da dati sperimentali.

Il coefficiente di scambio termico convettivo ak dipende fortemente dal diametro della fibra e dalla velocità relativa del mezzo a causa di un brusco cambiamento nello spessore dello strato limite laminare, paragonabile al diametro della fibra.

I coefficienti di trasferimento di calore convettivo tra l'imballaggio e i gas o l'aria caldi sono determinati da dati sperimentali.

Il coefficiente di scambio termico convettivo delle pareti del locale con l'aria in esso contenuta è di 11 36 W/m2 - deg.

Di conseguenza, il coefficiente di trasferimento di calore convettivo dipende dal metodo di fornitura di calore e con trasferimento di calore complesso (convezione e irraggiamento) è molto più alto rispetto al solo trasferimento di calore convettivo, a parità di altre condizioni.

I valori medi del coefficiente di scambio termico convettivo sulle superfici verticali degli involucri nella stanza possono essere determinati senza troppi errori dalla formula (1.64), poiché le differenze di temperatura e le dimensioni geometriche delle superfici riscaldate e raffreddate che si verificano nella realtà di solito corrispondono principalmente a un regime turbolento. Tutte le formule considerate, inclusa la (1.64), sono scritte per una superficie autoportante verticale.

Per determinare il coefficiente di trasferimento di calore convettivo, vengono solitamente utilizzate equazioni di criterio. Queste equazioni in condizioni ambientali tipiche per il trasferimento di calore sono riportate nella tabella. 5 per convezione forzata e libera. Si riferiscono alle condizioni di movimento sulla superficie della lastra. Sono caratterizzati da univocità e uniformità, in una parola, movimento ordinato.

Il valore medio del coefficiente di scambio termico convettivo cc, (a volte indicato con ots) nell'intervallo da 0 a una sezione trasversale arbitraria / può essere determinato sulla base del teorema della media integrale.

Contenuti della sezione

Il concetto di trasferimento di calore convettivo copre il processo di trasferimento di calore durante il movimento di un liquido o di un gas. In questo caso, il trasferimento di calore viene effettuato contemporaneamente per convezione e conduzione di calore. La convezione è possibile solo in un mezzo fluido, qui il trasferimento di calore è indissolubilmente legato al trasferimento del mezzo stesso. In questo caso, la conduttività termica è intesa come il processo di trasferimento di calore durante il contatto diretto di singole particelle del mezzo aventi temperature diverse.

Il trasferimento di calore convettivo tra un flusso di liquido o gas e la superficie di un solido è chiamato trasferimento di calore convettivo. Nei calcoli ingegneristici, viene determinato il trasferimento di calore, mentre il trasferimento di calore convettivo all'interno del mezzo è di interesse indiretto, poiché il trasferimento di calore all'interno del mezzo è quantitativamente protetto dal trasferimento di calore.

Nei calcoli pratici viene utilizzata la legge di Newton-Richmann. Secondo la legge, il flusso di calore - Q dal fluido alla parete o dalla parete al fluido è proporzionale al coefficiente di scambio termico per convezione - á ê, la superficie di scambio - F e il salto termico - ∆t = t с -tw, cioè

Q = á к (t с -t w) ⋅F, W (kcal / ora),

dove: t con - temperatura superficiale corporea; t w è la temperatura del mezzo liquido o gassoso che circonda il corpo.

Il flusso di calore - Q dal mezzo riscaldante al mezzo riscaldato attraverso la superficie (parete) che li separa è proporzionale al coefficiente di scambio termico - k, alla superficie di scambio termico - F e alla prevalenza di temperatura t, cioè

Q = ê⋅∆t⋅F, W (kcal/ora).

La prevalenza di temperatura t in questo caso è la differenza di temperatura media sull'intera superficie riscaldante del mezzo coinvolto nello scambio termico. In una modalità di scambio termico stazionario per schemi di movimento del fluido a flusso diretto e controcorrente, ∆t è determinato dalla differenza logaritmica media tra le temperature del fluido di riscaldamento e di quello riscaldato secondo la formula:

∆T = ∆t b - ∆t m, K (°C),

2,31 g (∆ t b / ∆t m)

dove: ∆ t b- la differenza di temperatura tra i fluidi all'estremità della superficie di scambio termico, dove è maggiore, K (° C); ? t m- la differenza di temperatura tra i fluidi all'altra estremità della superficie di scambio termico, dove è la più piccola, K (° C); k è il coefficiente di proporzionalità, chiamato coefficiente di scambio termico, W / (m 2 K) o kcal / m 2 ⋅ora⋅gr.

Esprime la quantità di calore in watt o chilocalorie trasferita dal mezzo di riscaldamento all'interfaccia riscaldata attraverso 1 m 2 durante un'ora a una differenza di temperatura di 1 grado tra i media.

Per una superficie piana e per tubi con il rapporto tra il diametro esterno e il diametro interno come d n≤ 2 il coefficiente di scambio termico è determinato dalla formula:

ê = 1, W / (m 2 K) o kcal / m 2 h⋅grad,

1 + S cm + 1

á gr á á nudo

dove un gr- resistenza termica del trasferimento di calore dal mezzo di riscaldamento all'interfaccia in m 2 ⋅K / W o m 2 ⋅h⋅grad / kcal (b - coefficiente di trasferimento di calore convettivo del mezzo di riscaldamento);

ë - resistenza termica della parete; S cm- spessore della parete in m; ë è la conduttività termica del materiale della parete in W / (m⋅K) o kcal / m⋅ch⋅grad;

á nudo- resistenza termica al trasferimento di calore dalla parete al mezzo riscaldato in m 2 K / W o m 2 ⋅h⋅grad / kcal (á nudoÈ il coefficiente di trasferimento di calore convettivo al mezzo riscaldato).

Nelle unità di riscaldamento (caldaie), durante il riscaldamento e il raffreddamento dei gas (aria), il coefficiente di scambio termico è á a varia tra 17–58 W/m2 K (15–50 kcal/m2 ⋅h⋅grad). Quando si riscalda e si raffredda l'acqua - entro 233-11630 W / m 2 K (200-10.000 kcal / m 2 ⋅h⋅grad).

Coefficiente di scambio termico á a dipende da:

La natura del flusso del mezzo, determinata dal criterio di Reynolds

Re = Wd = ñ ⋅ W ⋅d;

Il rapporto tra le resistenze termiche interne e le resistenze termiche esterne é, chiamato criterio di Nusselt ë

Nu = á a D;

Proprietà fisiche del mezzo (liquido, gas) caratterizzate dal criterio di Prandtl

Pr = í c ñ = í.

Trasferimento di calore in un regime di flusso turbolento

In caso di flusso turbolento di vari gas e liquidi attraverso lunghi tubi e canali per determinare á a l'equazione criterio più usata di M.A. Micheeva:

(con Re ≥ 10000 ed é ≥ 50): Nu = 0,021Re 0,8 Pr cf 0,43 (Pr cp) 0,25,

dove Pr cf - valori del criterio Prandtl ad una temperatura media di gas e liquidi pari alla semisomma delle temperature del flusso all'ingresso e all'uscita del tubo; Pr st - valori del criterio Prandtl a una temperatura di gas e liquidi uguale alla temperatura media della parete.

Coefficiente di scambio termico á a in tubi corti o condotti (d< 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

I valori di sono riportati in tabella. 7.20.

Ad esempio, per i prodotti della combustione, il criterio Pr av è 0,72, l'equazione di M.A. Mikheeva assume la forma:

á a d Wd

Per tubi lunghi Nu ≅ 0,018Re 0,8 o = 0,018 () 0,8;

á a d Wd

Per tubi corti Nu ≅ 0,018Re 0,8 ⋅ ϕ o = 0,018 () 0,8 ⋅ ϕ.

I coefficienti di scambio termico sono determinati da queste equazioni:

Per tubi e condotti lunghi

á a= 0,018 ⋅ ⋅, W/m 2 K, (kcal/m 2 gradi orari).

Per tubi e condotti corti

á a= 0,018 ⋅ ⋅ ⋅ ϕ, W/m 2 K, (kcal/m 2 gradi orari).

Coefficiente b a quando riscaldato non è uguale a á a durante il raffreddamento dei gas. In raffreddamento á a più ∼ 1,3 volte rispetto a quando riscaldato. Pertanto, il coefficiente di scambio termico per convezione durante il raffreddamento dei gas di combustione in un regime di flusso turbolento e con Pr av = 0,72 dovrebbe essere determinato dalla formula:

Per tubi lunghi á a= 0,0235 ⋅ ⋅, W/m 2 K, (kcal/m 2 gradi orari).

Per tubi corti:

á a= 0,0235 ⋅ ⋅ ⋅ ϕ, W/m 2 K (kcal/m 2 gradi orari).

Le caratteristiche fisiche dell'aria sono riportate nella sezione 6.1. Le caratteristiche fisiche dei fumi sono riportate in tabella. 7.21. I valori del criterio di Prandtl per l'acqua alla linea di saturazione sono riportati nella sezione 6.2.

Trasferimento di calore in regime di flusso laminare

Una stima approssimativa del coefficiente di scambio termico medio viene spesso eseguita utilizzando l'equazione criterio di M.A. Mikheev (per Re ≤ 2200):

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

che, oltre a quelli presentati in precedenza, include un altro criterio - Gr, chiamato criterio di Grashof, che caratterizza la forza di sollevamento dei gas (la forza di gravità per i liquidi).

â ⋅ g ⋅ d 3 ⋅ ∆t

dove: â - coefficiente di espansione volumetrica del liquido o dei gas, per i gas â = 273, 1 grado.

g - accelerazione di gravità (accelerazione di gravità), m / s 2;

d - diametro ridotto o per pareti verticali - altezza parete, m;

∆t è la differenza di temperatura tra le pareti riscaldate e il fluido (t st - t av) o (t av - t st);

í - coefficiente di viscosità cinematica, m 2 / s

è un coefficiente che tiene conto della lunghezza relativa dei tubi, pari a

Trasferimento di calore durante il lavaggio trasversale forzato dei fasci tubieri

Il coefficiente di trasferimento di calore per convezione in un fascio tubiero di corridoio lavato trasversalmente (Fig. 7.10):

á a= 0,206С z ⋅ С s ⋅ d í 0,65 ⋅ Pr 0,33, W / (m 2 K),

dove: С z - coefficiente che tiene conto del numero di file di tubi z lungo il corso dei gas nel condotto del gas, a z<10 С z = 0,91+0,0125 (z-2), а при z>10 Cz = 1;

С s - coefficiente che tiene conto della disposizione geometrica del fascio tubiero - dipende dai gradini longitudinali S 2 e trasversali S 1,

С s = 1+ 2S 1 - 3 1– S 2 3 -2

ë - coefficiente di conducibilità termica dei gas a una temperatura di flusso media, W / (m⋅K) o kcal / m⋅h⋅gr;

d - diametro esterno dei tubi, m;

w — velocità media del gas, m / s;

í - coefficiente di viscosità cinematica dei gas alla temperatura media di flusso, m 2 / s.

Coefficiente di scambio termico per convezione in un fascio tubiero cross-washed (Fig. 7.9.):

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

dove: С s dipende da S 1 e ϕ s;

ϕ s = (S 1 / d - 1) (S ′ 2 / d), S ′ 2 - passo diagonale medio del tubo (Fig. 7.9.);

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

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

Con z = 4 a z< 10 и S 1 /d ≥ 3.

Trasferimento di calore durante il lavaggio longitudinale forzato di superfici riscaldanti tubolari

Coefficiente di scambio termico per convezione:

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

dove: С t - coefficiente di temperatura in base alla temperatura del fluido e della parete - per acqua e vapore, nonché durante il raffreddamento dei gas С t = 1,0, durante il riscaldamento dei prodotti di combustione e dell'aria С t = (Т / Т st) 0,5 , dove T e T st è la temperatura del gas, dell'aria e della parete, in gradi K;

C d - coefficiente introdotto durante il flusso in canali anulari, con riscaldamento superficiale unilaterale 0,85 ≤ C d ≤ 1,5, con C d = 1 bilaterale;

С l - coefficiente in base alla lunghezza del canale; con lavaggio longitudinale dei tubi 1 ≤ С l ≤ 2, con l> 50d С l = 1.0.

Formule particolari per la determinazione dei coefficienti di scambio termico per convezione

Per unità di riscaldamento ad alta temperatura (secondo N.N.Dobrokhotov):

á a= 10,5 W 0, W / m 2 K (o á a= 9W 0, kcal / m 2 gradi ora), dove: W 0 è la velocità dei gas nello spazio del forno, riferita a 0 ° С, cioè nm 3 / s.

Per il movimento dei fumi (aria) attraverso canali in muratura con dimensioni da 40 × 40 a 90 × 90 mm (secondo M.S.Mamykin):

L 0 0,8 4 L 0,8 4

á a= 0,9 √ T, W / m 2 K (o 0,74 √ T, kcal / m 2 gradi ora),

dove: T è la temperatura assoluta dei gas, ° K; d - diametro ridotto in m;

Per la libera circolazione dell'aria lungo le superfici verticali delle pareti a basse temperature (secondo M.S.Mamykin):

á a= 2,56 t 1 - t 2, W / m 2 K (o 2,2 √ t 1 - t 2, kcal / m 2 gradi ora), dove:

(t 1 - t 2) - la differenza di temperatura tra le superfici delle pareti e il gas. Per una superficie orizzontale rivolta verso l'alto, invece di un coefficiente di 2,56 (2,2), viene preso 3,26 (2,8) e per una rivolta verso il basso 1,63 (1,4).

Per guarnizioni di scambiatori di calore rigenerativi (secondo M.S.Mamykin):

á a= 8,72, W / m 2 ⋅K (o á a= 7,5, kcal / m 2 ora⋅grad).

Acqua calma - parete metallica (secondo H. Kuhling):

á a= 350 ÷ 580, W / (m 2 ⋅K);

Acqua che scorre - parete metallica (secondo H. Kuhling):

á a= 350 + 2100 W, W / (m 2 ⋅K), dove W è la velocità in m / s.

Aria - superficie liscia (secondo H. Kuhling):

á a= 5,6 + 4W, W / (m 2 ⋅K), dove W è la velocità in m / s.

Nella fig. 7.17. – 7.22. nomogrammi per determinare á a metodo grafico.

Riso. 7.17. Coefficiente di scambio termico per convezione durante il lavaggio trasversale di fasci di tubi lisci in linea, αк = Cz⋅Cph⋅αн, W / m2⋅K (kcal / m2⋅h⋅grad) (rH2О è la frazione in volume del vapore acqueo)

Riso. 7.18. Coefficiente di scambio termico per convezione durante il lavaggio trasversale di fasci tubieri lisci sfalsati, αк = Cz⋅Cph⋅αн, W / m2⋅K (kcal / m2⋅h⋅grad), (rH2О è la frazione volumetrica del vapore acqueo)

Riso. 7.19. Coefficiente di scambio termico per convezione durante il lavaggio longitudinale di tubi lisci con aria e fumi

Riso. 7.20. Coefficiente di scambio termico per convezione durante il lavaggio longitudinale di tubi lisci con acqua non bollente, α = C ⋅ α, W / m2 ⋅K (kcal / m2 ⋅h⋅grad)

Riso. 7.21. Coefficiente di scambio termico per convezione per aerotermi a piastre a Re< 10000, αк = Cф⋅ αн, Вт/м2⋅К (ккал/м2⋅ч⋅град)

Riso. 7.22. Coefficiente di scambio termico per convezione per generatori di calore rigenerativi a Re ≤ 5200, αк = Cph⋅ αн, W / m2⋅К (kcal / m2⋅h⋅grad)