Основные законы теплового излучения и конвективного теплообмена

Виды конвекции

тепловое излучение конвективный теплообмен

Различают вынужденную конвекцию и свободную, или естественную. Вынужденная конвекция обусловлена внешними причинами, например, действием вентилятора, насоса, компрессора и т.д. Свободная конвекция обусловлена самим процессом тепло- или массообмена, а именно силами, возникающими вследствие неоднородности поля плотности, что в свою очередь связано с неоднородностью поля температур (при теплообмене) или концентраций (при массообмене).

Конвективная теплоотдача играет важную роль при нагреве материалов в низкотемпературных печах, иногда и в высокотемпературных (например, в колпаковых печах для нагрева рулонов). Вынужденная конвекция основную роль играет, как правило, в рабочем пространстве (т.е. внутри) печей, свободная конвекция определяет теплоотдачу от внешних ограждений печей в окружающую среду.

Для описания процессов конвективной тепло- и массоотдачи используют формулу Ньютона (для теплоотдачи):

 (1)

и соответствующее выражение для процесса массоотдачи

, (2)

где b - коэффициент массоотдачи, м/с, r - парциальная плотность.

Основная трудность при расчете процессов конвективной тепло- и массопередачи состоит в нахождении коэффициентов a и b, которые определяют с помощью эмпирических формул.

В большинстве случаев формулы записывают в безразмерном виде с использованием критериев:

Критерий Фурье

Критерий Пекле ,

(где w - скорость движения среды, м/с; l - характерный геометрический размер: при движении в трубах - диаметр трубы, при обтекании тел - его размер ).

Критерий Прандтля ,

(где n - кинематический коэффициент вязкости).

Критерий Рейнольдса ,

Критерий грасгофа (в случае свободного движения) ,

(где b - коэффициент объемного расширения).

Критерий Нуссельта ,

(где l - характерный размер тела, омываемого конвективным потоком).

При конвективной теплоотдаче основной задачей является определение коэффициента теплоотдачи a. Поэтому опытные данные обычно обрабатывают в виде критериальных уравнений, а именно:

или

.

Вынужденная конвекция

Движение реальной жидкости может происходить в двух принципиально различных режимах - ламинарном (струйки газа перемещаются параллельно одна другой, не пересекаясь) и турбулентном (или вихреобразным).

Пределы существования ламинарного и турбулентного движения определяются критерием Рейнольдса.

Если критерий Рейнольдса меньше нижнего критического значения 2300,

то режим движения такого потока может быть только ламинарным.

Если 10 000, движение турбулентное.

Если 2300 < Re < 10000 - режим переходной.

Пучки труб в поперечном потоке.

Расположение труб в пучке бывает коридорным и шахматным.

При коридорном расположении труб

.

При шахматном расположении труб

.

Для газов .

В качестве масштаба скорости, входящего в критерий Re, принята среднерасходная скорость в самом узком сечении ряда, в качестве линейного масштаба принят наружный диаметр трубы.

Коэффициенты теплоотдачи для первого ряда (как для коридорных, так и для шахматных пучков) определяются по формуле

.

Для второго ряда:

Для коридорных пучков

.

Для шахматных пучков

.