Основной закон конвективного теплообмена. Коэффициент теплоотдачи и факторы, от которых он зависит

Основной закон конвективного теплообмена – это закон теплоотдачи Ньютона-Рихмана.

Q= (tср-tпов)*F, Вт

α –коэффициент

tср-tпов- температурный напор,Δt=tср-tпов

F - омываемая площадь.

dQ= (tср-tпов)dF

Формула Ньютона используется одинаковым образом как для задач нагрева поверхности:

t ср>t пов

Так и для задач охлаждения:

t ср<t пов

Самым трудным при использовании формулы Ньютона в инженерных расчетах явл-ся задание величины α:

α ;Вт/(кв.м*град)

Причина в том, что коэффициент теплоотдачи при обтекании различных поверхностей различными газами и жидкостями может изменяться в очень широких пределах (от нескольких единиц до нескольких десятков тысяч).

Причин, влияющих на величину коэффициента теплоотдачи, много и к основной из них относятся следующие:

1.Скорость потока, обтекающего поверхность.

Чем выше скорость, тем больше коэфф.теплоотдачи.

2. Характер течения жидкости или газа, который может быть ламинарным или турбулентным. В большинстве случаев теплоотдача выше при турбулентном течении.

3. Характер пограничного слоя (ламинарный, турбулентный).

4. Степень турбулентности обтекающего потока. Чем выше степень турбулентности, тем выше теплоотдача. Степень турбулентности характеризует интенсивность хаотического неупорядоченного движения частиц и рассчитывается по величине до квадратичной скорости пульсационного движения.

5. Характер возникновения движения: течение может быть вынужденным и свободным.

Вынужденное течение – это течение за счет использования работы внешних устройств (насосов, вентиляторов, компрессоров, воздуходувов).

Свободное течениевозникает в поле действия массовых сил(например, в поле силы тяготения) в результате подъемной силы по закону Архимеда вследствие резкости плоскостей нагретой и холодной жидкостей.

6. Причины, обусловленные теплофизическими свойствами среды:

Теплоемкость среды обтекающей поверхности:

Ср, кДж/(кг*град)

Чем выше теплоемкость, тем большее количество тепловой энергии транспортируется единицей массы среды (вода – лучший теплоноситель)

Ср (воды)=4187 Дж/(кг*град)

Ср (воздуха)=1,05 Дж/(кг*град)

7. Коэффициент температуропроводности

α=λ/(сρ)

Чем выше α - тем выше λ.

Коэффициент температуропроводности учитывает и коэффициент теплопроводности, и плотность самой жидкости.

8. Вязкость жидкости.

Вязкость определяет фомирование как теплового, так и гидродинамического пограничного слоя, и тем самым влияет на α.

9. Фактор теплового характера – это направление теплового потока либо от степенки к жидкости, либо наоборот. В большей мере проявляется в капельных жидкостях.

10.Факторы геометрического характера, т.е. форма, размеры тела и состояние его поверхности.

В общем случае можно написать, что:

α=f(w,λ,c,ρ,Cр,ε,δ,β,tср,tпов,Ф,l,ln)