В инженерной практике выделяют конвективный теплообмен между твёрдой поверхностью и омывающей её средой. Конвективный теплообмен — процесс переноса тепловой энергии движущейся жидкостью или газом. Конвективный теплообмен определяет эффективность работы теплообменников, котлов, систем отопления и вентиляции.
В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей. Интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом теплоотдачи α, измеряемым в Вт/(м²·К). Чем выше α, тем эффективнее передаётся тепло при одной и той же разности температур.
Базовый закон конвективного теплообмена — закон Ньютона-Рихмана: тепловой поток Q пропорционален площади поверхности F и разности температур ΔT между поверхностью и средой: Q = α · S · ΔT, где Q — тепловой поток, Вт; α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К); S - площадь поверхности, м²; ΔT - температурный напор, К.
Типичные значения коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции: для воздуха — 5–25 Вт/(м²·К), для воды — 100–1000 Вт/(м²·К).
Коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции в трубах для воды достигает 500–10 000 Вт/(м²·К), для воздуха — 25–250 Вт/(м²·К).
Закон Ньютона-Рихмана - это фундаментальный физический закон, устанавливающий прямую пропорциональную зависимость между тепловым потоком на границе раздела двух сред и величиной перепада температур между этими средами. Знание основных положений и особенностей применения этого закона крайне важно для инженерных расчетов процессов конвективного теплообмена в различных отраслях промышленности.
Несмотря на фундаментальный характер, закон Ньютона-Рихмана справедлив далеко не для всех режимов теплообмена. В ряде случаев физически обоснованы иные зависимости плотности теплового потока от температурного напора. Это относится, например, к высокотемпературным процессам излучения. Важно! Закон Ньютона-Рихмана работает в установившемся (стационарном) температурном поле, т.е. температурное поле между твердой поверхностью и теплоносителем не меняется с течением времени. В противном случае, коэффициент теплоотдачи (α) придется рассчитывать заново.
Закон охлаждения Ньютона был сформулирован английским физиком и математиком Исааком Ньютоном в 1701 году. Он исследовал процесс охлаждения горячих тел и пришел к выводу, что скорость охлаждения пропорциональна разности температур тела и окружающей среды.
Закон охлаждения Ньютона описывает, как температура нагретого объекта (твердая поверхность) изменяется со временем при контакте с окружающей средой (теплоноситель).
Предположим, у нас есть горячий предмет (например, чашка кофе) с начальной температурой T0, которая отличается от температуры окружающей среды Tокр. Тогда скорость (вспомните, что скорость есть производная от перемещения) изменения температуры dT/dt объекта будет пропорциональна разности температур между объектом и окружающей средой.
Математически, закон охлаждения Ньютона записал Георг Вильгельм Рихман - российский физик немецкого происхождения, действительный член Академии наук и художеств (адъюнкт с 1740, профессор физики с 1741) - в виде дифференциального уравнения: dT/dt = - k(T0 - Tокр), где:
T0 - начальная температура объекта;
Tокр - температура окружающей среды (остается постоянной на протяжении всего времени эксперимента);
k, 1/с - коэффициент передачи тепла, который зависит от свойств объекта и окружающей среды. Коэффициенты передачи тепла и теплоотдачи связаны между собой: k=αS/C, где С - теплоемкость твердого тела;
t - время.
Это дифференциальное уравнение описывает, как температура объекта меняется со временем в результате потери тепла в окружающую среду. Решив это уравнение, можно предсказать, как быстро объект остынет и как его температура будет меняться во времени.
Проинтегрировав дифференциальное уравнение закона Ньютона-Рихмана можно получить уравнение в экспоненциальной форме:
T(t) = Tокр + (T0 − Tокр)е^−kt.
Функция, которая лучше всего описывает скорость остывания - экспонента.
Основными факторами, влияющими на процесс теплоотдачи являются следующие свойства теплоносителя - жидкости или газа, омывающего твердую поверхность:
1) Природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки (естественная конвекция, вынужденная конвекция).
2) Режим движения жидкости (ламинарное, турбулентное).
3) Физические свойства жидкостей и газов, таки как:
С - удельная теплоемкость,
ρ (ро) - плотность,
α - коэффициент теплоотдачи (α = λ/С·ρ),
μ - коэффициент динамической вязкости или кинематической вязкости (ν = μ/ρ),
β - температурный коэффициент объемного расширения (β = 1/Т) и др.
4) Форма (плоская, цилиндрическая), размеры и положение поверхности (горизонтальная, вертикальная).
Применение конвекции теплообмена в промышленности
Вынужденная конвекция лежит в основе работы кожухотрубных теплообменников: насос прокачивает теплоноситель через трубное и межтрубное пространство. Согласно стандарту TEMA, конструкция аппарата оптимизируется под заданный α с учётом допустимого гидравлического сопротивления.
В конвективных поверхностях котлов (пароперегреватели, экономайзеры, воздухоподогреватели) дымовые газы при температурах 250–900°С и скоростях 6–12 м/с отдают тепло рабочей среде. Расчёт ведётся нормативным методом с раздельным определением α для газовой и паро-водяной сторон.
В системах отопления радиаторы работают на естественной конвекции, а конвекторы с принудительным обдувом — на вынужденной, обеспечивая в 3–5 раз большую мощность при сопоставимых габаритах. В системах HVAC по методике ASHRAE рассчитывают конвективные коэффициенты для воздуховодов и фанкойлов.
- Кожухотрубные теплообменники — вынужденная конвекция, скорость теплоносителя 0,5–3 м/с
- Конвективные поверхности котлов — дымовые газы 300–700°С, скорость 6–12 м/с
- Воздушные радиаторы и конвекторы — α воздуха при принудительном обдуве 50–200 Вт/(м²·К)
- Охлаждение оборудования — жидкостная конвекция α до 10 000 Вт/(м²·К)
Ознакомиться с примерами решения задач по теме "Конвективный теплообмен" можно здесь.
Часто задаваемые вопросы
Чем естественная конвекция отличается от вынужденной?
Естественная возникает под действием гравитации из-за разности плотностей нагретых и холодных слоёв. Вынужденная создаётся насосами или вентиляторами. Коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции на 1–2 порядка выше, что делает её предпочтительной в промышленных аппаратах.
Как рассчитать коэффициент теплоотдачи α?
Необходимо знать физические свойства теплоносителя: α = λ/С·ρ.
Почему в котлах разделяют лучистую и конвективную теплоотдачу?
В топке при температурах выше 1000°С доминирует излучение (70–80% теплопереноса). В хвостовых конвективных поверхностях при 300–700°С главную роль играет конвекция. Раздельный расчёт обязателен для корректного определения площадей нагрева и КПД котла.
Экспериментальные методы определения коэффициента теплоотдачи
Для верификации расчетных значений, полученных на основе теоретического анализа, проводят экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи.
Существуют следующие основные методы:
1. Метод параллельных потоков.
2. Метод измерения распределения температуры.
3. Импульсный метод нагрева поверхности.
Экспериментальные данные позволяют уточнить теоретические зависимости для конкретных условий протекания процесса теплообмена.
Знание различий между естественной и вынужденной конвекцией, а также умение работать с критериями подобия позволяет инженеру рассчитывать тепловые потоки, подбирать теплообменники и проектировать эффективные котельные и климатические установки.
Источник:
https://inner.su/articles/konvektsiya-teploobmen/
https://ppt-online.org/1474943
https://phys-ege.sdamgia.ru/problem?id=23346
https://ru.ruwiki.ru/wiki/Закон_Ньютона_—_Рихмана
https://research.gym1505.ru/sites/default/files/research/res-5185/prod-5186-iare_0.pdf
