Конвекция - это перенос теплоты движущейся массой жидкости или газа из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, этот процесс называют конвективным теплообменом. Теплоотдача конвекцией зависит от большого числа различных факторов:
- характера конвекции - конвекции свободной, происходящей под действием внутренних сил, возникающих вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц, или вынужденной, происходящей под действием внешних сил - ветра, насоса, вентилятора;
- режима течения жидкости - течения при малых скоростях параллельно-струйчатого характера без перемешивания (ламинарный режим) или течения при больших скоростях (течение неупорядоченное, вихревое), когда в теплоносителе наблюдаются вихри, перемещающие жидкость не только в направлении движения, но и в поперечном направлении (турбулентный режим);
- скорости движения теплоносителя;
- направления теплового потока (нагревание или охлаждение);
- физических свойств теплоносителя - коэффициента теплопроводности, теплоемкости, плотности, вязкости, температурного напора, зависящего от разности температур теплоносителя и поверхности стенок;
- площади поверхности стенки F, омываемой теплоносителем;
- формы стенки, ее размеров и других факторов.
Расчет процесса конвективного теплообмена производят на основе закона Ньютона, который выражается формулой:
| (8) |
где W - количество переданной теплоты, Дж;
α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);
F - площадь поверхности теплообмена, м2;
t и tcl - температуры соответственно жидкости и стенки, К;
τ - время, с.
Коэффициент теплоотдачи а показывает, какое количество теплоты передается от жидкости (греющего тела) к стенке или наоборот в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью стенки и жидкостью в 1 К.
Разделив обе части уравнения (8) на Ft, получим выражение для плотности теплового потока при теплоотдаче:
| (9) |
Или
| (10) |
где 1/α - термическое сопротивление теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи а определяют опытным или аналитическим методом. Аналитический метод весьма сложен и не обеспечивает нужной точности.
Сложный теплообмен
Рассмотренные выше явления передачи теплоты протекают обычно одновременно. Например, когда тело (поверхность нагрева) омывается газом, то наряду с конвективным теплообменом имеется теплообмен излучением (радиацией). В системах отопления, вентиляции и кондиционирования наиболее часто встречающийся случай теплообмена - это передача теплоты от греющей жидкости, нагреваемой среде (воздух, жидкость) через разделительную стенку (рисунок 7, а). В этом случае вначале происходит теплоотдача от греющей жидкости со средней температурой t1 стенке с температурой tcl. Далее теплота передается в результате теплопроводности стенки ее противоположной поверхности с температурой tcll и, наконец, эта поверхность стенки отдает теплоту нагреваемой среде со средней температурой t2. Тогда плотность теплового потока для однослойной стенки с учетом формул (6) и (10) будет
| (11) |
где α1 - коэффициент теплоотдачи от греющей жидкости левой (см. рисунок 7, а) поверхности стенки;
δ - толщина стенки;
λ - коэффициент теплопроводности разделительной стенки;
α2 - коэффициент теплоотдачи от правой поверхности стенки, нагреваемой среде.
Рисунок 7 - Передача теплоты от греющей жидкости, нагреваемой среде через разделительную стенку: а - однослойную; б – многослойную
Если дробь
обозначить буквой k, то формула для подсчета количества теплоты, передаваемой через площадь F за время τ, примет следующий вид:
| (12) |
Величину k называют коэффициентом теплопередачи [измеряется в Вт/(м2·К)], а обратную ему величину - полным термическим сопротивлением теплопередачи
R0 = 1/k = 1/α1 + δ/λ + 1/α2.
Если разделительная стенка состоит из нескольких слоев, например из трех (рисунок 7, б), то плотность теплового потока с учетом формул (7) и (10) будет
| (13) |
В многочисленных теплообменных устройствах, применяемых в любой области промышленности, в том числе в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, основным рабочим процессом является теплообмен между теплоносителями. Такой теплообмен называют теплопередачей.
Поэтому задание № 3 по сути соответствует случаю передачи теплоты от греющего газа к кипящей воде через разделительную однослойную (коэффициент теплопроводности материала стенки λ = 50 Вт/м∙К и толщина стенки δ = 10 мм.) и многослойную стенку (поверхность нагрева парового котла со стороны дымовых газов покрылась слоем сажи толщиной δс и со стороны воды слоем накипи толщиной δн (соответственно, коэффициент теплопроводности сажи λс = 0,08 Вт/м∙К и накипи λн = 0,6 Вт/м∙К)). Далее необходимо сравнить результаты расчетов для обоих случаев и определить уменьшение тепловой нагрузки в процентах, построить график распределения температур (См. рисунок 7, а и б).
Рекомендуемая литература
1. Андрижиевский, А.А. Энергосбережение и энергетический менеджмент: учебное пособие / А.А. Андрижиевский, В.И. Володин. – Минск: Высшая школа, 2005. – 294 с.
2. Быстрицкий, Г.Ф. Основы энергетики [Текст] /Г.Ф.Быстрицкий – М.: Изд-во ИНФРА, 2007. – 278 с.
3. Полонский В.М. Энергосбережение: учебное пособие / В.М. Полонский – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2005. – 160с.