какую размерность имеет коэффициент теплоотдачи
Теплоотдача теплоносителей
Теплоотдача – это физический процесс переноса теплоты (холода) между поверхностью твердых тел и омывающими их рабочими средами (теплоносителями). При этом теплоносителями могут быть: газы, жидкости, расплавы. Она происходит в результате конвекции, лучистого теплообмена.
В теплоносителе с неоднородным полем температур при вынужденном или естественном перемещении макроскопических элементов наряду с конвекцией происходит процесс переноса тепла теплопроводностью. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между теплоносителем и обтекаемой им поверхностью называют теплоотдачей.
В зависимости от движения теплоносителя, которое бывает свободным или вынужденным, теплоотдача характеризуется разными значениями. Также на величину теплоотдачи влияетизменение его агрегатного состояния.
Для характеристики интенсивности процесса теплообмена используется коэффициент теплоотдачи теплоносителя. Численно коэффициент теплоотдачи равен тепловому потоку, приходящемуся на единицу поверхности при температурном напоре, равный единице, α – Вт/(м2×К). Он показывает количество теплоты, которое передается в единицу времени через расчетную единицу поверхности. Во внимание берется разность температур между рабочей средой и контактирующей с ней поверхностью. Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости потока носителя тепла, вида течения, какова геометрия поверхности твердого тела и т.д.
Это сложная величина и ее невозможно определить общей формулой. Обычно коэффициент теплоотдачи находят экспериментально. Теплоотдача теплоносителей в условиях естественной конвекции – распространенное понятие, с которым связано как эксплуатация бытовых устройств, так и технических промышленных аппаратов и коммуникаций. Пример бытового теплообменника – обогревательные батареи, устанавливаемые для отопления помещений.
В компании «Савиа», которая специализируется на производстве широкой номенклатуры теплоносителей, можно заказать высококачественные товарные марки их различных видов, отвечающих необходимым требованиям предприятий различных отраслей промышленности и пожеланиям покупателей.
От чего зависит коэффициент теплоотдачи?
На значение коэффициента теплоотдачи влияют многие факторы и прежде всего, теплофизические свойства теплоносителя, его фазовое состояние, вид движения (естественное или вынужденное) и режим течения теплоносителя (ламинарный, переходный, турбулентный), а также характеристика контактируемой поверхности. К параметрам, от которых зависит величина коэффициента теплоотдачи, относятся:
Теплоотдача в условиях вынужденного движения
Во время ламинарного движения, когда скорость и температура на начальном участке трубопроводов распределяется равномерно, у поверхности ее стенок (на границе «теплоноситель – стенка») появляются пограничные слои. Чем дальше они находятся от входа, тем толще. Спустя некоторое расстояние они смыкаются. При этом коэффициент температурного расширения теплоносителя изменяется: на входе он имеет максимальный показатель.
Если рассматривается турбулентное движение, во внимание берутся условия входа теплоносителя в трубопроводы. Наличие острых кромок, большой угол ввода приводят к увеличению возмущения потока. В итоге коэффициент теплоотдачи увеличивается на участке стабилизации.
Иногда создается искусственная шероховатость на поверхности труб (имеет вид насечек), что при соотношении шага между находящимися рядом выступами и их высотой приводит к увеличению коэффициентных показателей теплоотдачи до 2,5 раз. В условиях ламинарного режима величина коэффициента не зависит от наличия шероховатостей.
Чтобы сделать теплообмен более интенсивным, применяются эффективные технологические методы: создаются пульсации потока рабочей среды, проводятся процессы в тонких каналах, когда теплоноситель течет в виде тонкой пленки.
Естественная конвекция и теплоотдача
Естественная конвекция и теплоотдача (конвективный теплообмен) возможны при движении теплоносителя, под влиянием разности его плотностей при различных температурах в определенных точках его объема. Микрочастицы рабочей среды, которые имеют более высокую температуру и соответственно имеют меньшую плотность, поднимаются вверх. А те, более холодные, стремятся вниз, но в результате нагревания также устремляются вверх.
В итоге показатель отдачи тепла зависит от размеров системы теплообмена, формы и площади поверхности охлаждения или нагрева, ее точных температурных показателей и физических характеристик теплоносителя. Однако, в инженерной практике конвективный теплообмен внутри теплоносителя при расчётах, как правило, не рассматривается.
При свободной (естественной) конвекции коэффициент отдачи тепла значительно ниже (в сотни раз), чем во время вынужденного турбулентного движения.
Вопрос 27. Что такое коэффициент теплоотдачи, его размерность, как его определить для выполнения расчетов?
α – характеризует интенсивность конвективного теплообмена и зависит от скорости теплоносителя, теплоемкости, вязкости, от формы поверхности и тд.
[Вт/(м 2 ×град)].
Коэффициент теплоотдачи численно равен мощности теплового потока, передаваемому одному квадратному метру поверхности при разности температур между теплоносителем и поверхностью в 1°С.
Основной и наиболее трудной проблемой в расчётах процессов конвективной теплоотдачи является нахождение коэффициента теплоотдачи α. Современные методы описания процесса коэф. теплопроводности, основанные на теории пограничного слоя, позволяют получить теоретические (точные или приближённые) решения для некоторых достаточно простых ситуаций. В большинстве же встречающихся на практике случаев коэффициент теплоотдачи определяют экспериментальным путём. При этом как результаты теоретических решений, так и экспериментальные данные обрабатываются методами теории подобия и представляются обычно в следующем безразмерном виде:
Nu = f (Re, Pr) — для вынужденной конвекции и
Nu = f (Gr Re,, Pr) — для свободной конвекции,
где 
— число Нуссельта,— безразмерный коэффициент теплоотдачи (L — характерный размер потока, λ— коэффициент теплопроводности); Re= 
— число Рейнольдса, характеризующее соотношение сил инерции и внутреннего трения в потоке (u — характерная скорость движения среды, υ — кинематический коэффициент вязкости);
Pr = 
— число Прандтля, определяющее соотношение интенсивностей термодинамических процессов (α – коэффициент температуропроводности);
Gr = 
— число Грассгофа, характеризующее соотношение архимедовых сил, сил инерции и внутреннего трения в потоке (g — ускорение свободного падения, β — термический коэффициент объёмного расширения).
Критериальные уравнения теплообмена: расчет теплоотдачи в трубах и каналах
Теплоотдача при вынужденном течении жидкости в трубах и каналах
Теплоотдача в трубах и каналах может происходить при вынужденном или свободном характере конвекционных потоков (возможны также их сочетания в случае существенного влияния гравитационных сил).
При вынужденном течении (вынужденная конвекция) жидкость нагнетается или отводится под действием сил внешнего давления, например, ветра, насоса или вентилятора.
Свободное течение жидкости происходит под действием подъемных (гравитационных) сил за счет изменения ее плотности из-за разницы температуры – слой жидкости с меньшей плотностью стремиться занять верхнее положение относительно холодного слоя (свободная или естественная конвекция).
Интенсивность теплоотдачи, как при вынужденной, так и при свободной конвекции характеризуется коэффициентом теплоотдачи α, имеющим размерность Вт/(м 2 ·град), который определяется по формуле:
Nu – число Нуссельта; λ – коэффициент теплопроводности жидкости при средней температуре, Вт/(м·град);
d – эквивалентный диаметр, равный
F – площадь сечения канала, м 2 ; П – периметр канала, м.
Для трубы круглого сечения, эквивалентный диаметр равен внутреннему диаметру трубы.
В целом, расчет коэффициента теплоотдачи сводится к определению числа Нуссельта, значение которого задается соответствующими критериальными уравнениями конвективного теплообмена, зависящими от режима течения жидкости и формы канала.
Течение жидкости в трубах определяется значением числа Рейнольдса Re и в зависимости от его величины может быть ламинарным, переходным или турбулентным.
Число (критерий) Рейнольдса представляет собой безразмерный комплекс, связывающий скоростные и вязкостные характеристики жидкости с определяющим размером канала (для трубы – это ее диаметр).
Число Re определяется по формуле:
w – скорость течения жидкости, м/с; d – эквивалентный диаметр канала, м; ν — кинематическая вязкость жидкости при средней температуре, м 2 /с.
Теплоотдача в трубах и каналах существенно зависит от режима течения жидкости. При ламинарном режиме интенсивность теплоотдачи значительно меньше, чем при развитом турбулентном.
Теплоотдача при ламинарном течении в трубах и каналах
Ламинарный режим течения жидкости обычно характеризуется низкой скоростью потока. При этом в некоторых случаях влиянием конвекции, обусловленной действием гравитационных сил, пренебрегать нельзя.
Для выбора правильного критериального уравнения теплообмена и оценки влияния естественной конвекции на интенсивность теплопередачи при ламинарном режиме служит критерий Грасгофа Gr.
g – ускорение свободного падения, м/с 2 ;
d – эквивалентный диаметр канала, м;
ν — кинематическая вязкость жидкости при средней температуре, м 2 /с;
Δt – средняя разность температур жидкости и стенки, °С.
Индекс «ж» означает, что свойства среды, входящие в критерии подобия Re, Pr и Gr берутся при средней температуре жидкости.
Число Прандтля с индексом «с» Prс берется для жидкости при температуре стенки.
εL – коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи по длине трубы или канала. Его можно определить с помощью таблицы:
| L/d | 1 | 2 | 5 | 10 | 15 | 20 | 30 | 40 | 50 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| εL | 1,9 | 1,7 | 1,44 | 1,28 | 1,18 | 1,13 | 1,05 | 1,02 | 1 |
d – эквивалентный диаметр канала, м;
L – длина трубы (канала), м.
Представленные критериальные уравнения теплообмена при ламинарном режиме позволяют определить среднее значение числа Нуссельта, по величине которого можно рассчитать средний коэффициент теплоотдачи:
λ – коэффициент теплопроводности жидкости при средней температуре, Вт/(м·град);
d – эквивалентный диаметр, м.
Теплоотдача в трубах и каналах при турбулентном режиме
Теплоотдача в трубах и каналах при турбулентном режиме осуществляется путем передачи тепла при интенсивном перемешивании слоев жидкости. Критериальное уравнение теплообмена для расчета средней теплоотдачи в трубах и каналах в этом случае имеет вид:
Критерии подобия Re и Pr берутся при средней температуре жидкости. Число Прандтля с индексом «с» Prс берется при температуре стенки.
Представленное критериальное уравнение применяется в диапазоне чисел Re от 1·10 4 до 5·10 6 и Pr от 0,6 до 2500.
εL – коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы или канала при турбулентном режиме течения. Значения εL приведены в следующей таблице при различных числах Рейнольдса и отношениях длины канала к его эквивалентному диаметру:
| Reж | L/d | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 5 | 10 | 15 | 20 | 30 | 40 | 50 | |
| 1·10 4 | 1,65 | 1,5 | 1,34 | 1,23 | 1,17 | 1,13 | 1,07 | 1,03 | 1 |
| 2·10 4 | 1,51 | 1,4 | 1,27 | 1,18 | 1,13 | 1,1 | 1,05 | 1,02 | 1 |
| 5·10 4 | 1,34 | 1,27 | 1,18 | 1,13 | 1,1 | 1,08 | 1,04 | 1,02 | 1 |
| 1·10 5 | 1,28 | 1,22 | 1,15 | 1,1 | 1,08 | 1,06 | 1,03 | 1,02 | 1 |
| 1·10 6 | 1,14 | 1,11 | 1,08 | 1,05 | 1,04 | 1,03 | 1,02 | 1,01 | 1 |
Расчет теплоотдачи в изогнутых трубах и каналах проводится по тому же критериальному уравнению с добавлением множителя — поправки на действие центробежных сил, которая определяется по формуле:
R — радиус изгиба трубы или канала, м; d – эквивалентный диаметр трубы или канала, м.
Теплоотдача в изогнутых трубах проходит более интенсивно, чем в прямых, за счет большего вихреобразования и лучшего перемешивания жидкости.
Расчет теплоотдачи при вынужденной конвекции
Пример расчета. Рассчитаем средний коэффициент теплоотдачи воды, текущей по трубопроводу длиной 1 м, диаметром d=0,01 м с расходом Q=20 л/мин. Средняя температура воды tж=50°С, температура стенки трубы tс=10°С.
1. Определим физические свойства воды при температуре 50°С:
2. Рассчитаем среднюю скорость течения воды w по трубе:
3. Определим число Рейнольдса Re:
Определим коэффициент εL по соотношению L/d=1/0,01=100. Поскольку L/d>50, то коэффициент εL=1.
Выполним расчет числа Нуссельта по приведенному критериальному уравнению:
5. Рассчитаем средний коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы по формуле:
Таким образом, средний коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы составляет 14,65 кВт/(м 2 ·град).
Теплоотдача при свободной конвекции в трубах и каналах
Теплообмен при свободном движении жидкости (или газа) происходит вследствие разности плотностей нагретых и холодных ее слоев. Интенсивность теплоотдачи жидкости в трубах и каналах при свободной конвекции существенно зависит от их положения в пространстве относительно силы тяжести.
Теплоотдача при свободной конвекции имеет различный характер в случаях свободного течения в неограниченном пространстве и теплообмена в ограниченном объеме (в узкой трубе или канале).
Свободная конвекция в неограниченном пространстве
Конвекция в неограниченном пространстве протекает, например при охлаждении трубопровода центрального отопления, расположенного на улице в безветренную погоду, вблизи от которого отсутствуют препятствия для движения воздушных потоков.
Горизонтальный канал или труба. Интенсивность теплоотдачи при свободной конвекции зависит от величины комплекса GrPr. При значении GrPr от 10 3 до 10 9 критериальное уравнение, описывающее среднюю теплоотдачу от поверхности горизонтальных труб и каналов, имеет вид:
В качестве определяющего размера принимается наружный диаметр d канала или трубы.
Вертикальный канал (труба, пластина). Для вертикальных труб и каналов при значении GrPr от 10 3 до 10 9 критериальное уравнение, описывающее среднюю теплоотдачу, имеет вид:
При GrPr>10 9 :
Примечание: В приведенных критериальных уравнениях теплообмена свойства жидкости, входящие в числа Gr и Pr, определяются при температуре окружающей среды. Число Прандтля с индексом «с» Prс берется для жидкости при температуре стенки. В качестве определяющего размера принимается длина L (высота) вертикально стоящей трубы или канала.
Свободная конвекция в ограниченном объеме
Теплообмен жидкости в ограниченном объеме при свободной конвекции характеризуется совместным протеканием процессов нагрева и охлаждения соседних слоев жидкости (или газа). Эти процессы сопровождаются сложным течением нисходящих и восходящих потоков, зависящих от рода жидкости, разницы температуры, формы канала и его геометрических размеров.
Для упрощения расчета таких сложных процессов конвективного теплообмена принято рассматривать их, как явление теплопроводности в щели толщиной δ с учетом понятия эквивалентного коэффициента теплопроводности λэк.
Эквивалентный коэффициент теплопроводности определяется по формуле:
Q — количество переданного тепла, Вт; δ — толщина слоя жидкости (или газа), м; F — площадь теплоотдающей поверхности, м 2 ; Δt=tc1-tc2 — температурный напор между нагретой и холодной стенками, °С.
Отношение эквивалентного коэффициента теплопроводности λэк к величине теплопроводности окружающей жидкости при средней температуре называется коэффициентом конвекции εк, который определяется значением комплекса GrPr.
При малых значениях комплекса GrPr 3 6 :
При 10 6 10 :
Примечание: Числа подобия Gr и Pr рассчитываются при средней температуре жидкости (или газа), равной tж=0,5(tc1+tc2). В качестве определяющего размера принимается δ — толщина слоя жидкости.
Расчет теплоотдачи при свободной конвекции
Пример расчета. Рассчитаем потери тепла естественной конвекцией от горизонтального трубопровода центрального отопления, находящегося на открытом воздухе. Диаметр трубопровода d=0,15 м, длина L=5 м, средняя температура наружной стенки tс=80°С. Температура окружающего воздуха tж=20°С.
1. Определим физические свойства воздуха при температуре 20°С:
2. Вычислим число Грасгофа Gr по формуле:
3. Определим значение комплекса GrPr:
Этому значению комплекса соответствует следующее критериальное уравнение теплообмена при свободной конвекции в случае горизонтальной трубы:
4. Вычислим значение числа Нуссельта Nu:
5. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от трубы α по формуле:
6. Определим потери тепла с боковой поверхности трубопровода по формуле:
Подставляя численные значения, окончательно получаем потерю тепла:
Таким образом, только путем естественной (свободной) конвекции рассмотренный трубопровод отопления отдает воздуху 1681 Вт тепла.
Что такое коэффициент теплоотдачи, его размерность, как его определить для выполнения расчетов?
α– характеризует интенсивность конвективного теплообмена и зависит от скорости теплоносителя, теплоемкости, вязкости, от формы поверхности и тд.
[Вт/(м 2 град)].
Коэффициент теплоотдачи численно равен мощности теплового потока, передаваемому одному квадратному метру поверхности при разности температур между теплоносителем и поверхностью в 1°С.
Основной и наиболее трудной проблемой в расчётах процессов конвективной теплоотдачи является нахождение коэффициента теплоотдачи α. Современные методы описания процесса коэф. теплопроводности, основанные на теориипограничного слоя,позволяют получить теоретические (точные или приближённые) решения для некоторых достаточно простых ситуаций. В большинстве же встречающихся на практике случаев коэффициент теплоотдачи определяют экспериментальным путём. При этом как результаты теоретических решений, так и экспериментальные данные обрабатываются методамитеории подобия и представляются обычно в следующем безразмерном виде:
Nu=f (Re, Pr) — для вынужденной конвекции и
Nu=f (Gr Re,, Pr) — для свободной конвекции,
где 
— число Нуссельта,— безразмерный коэффициент теплоотдачи (L —характерный размер потока,λ— коэффициент теплопроводности);Re=
—число Рейнольдса, характеризующее соотношение сил инерции и внутреннего трения в потоке (u —характерная скорость движения среды, υ — кинематический коэффициент вязкости);
Pr=
—число Прандтля, определяющее соотношение интенсивностей термодинамических процессов (α – коэффициент температуропроводности);
Gr=
— число Грассгофа, характеризующее соотношение архимедовых сил, сил инерции и внутреннего трения в потоке (g —ускорение свободного падения,β— термический коэффициент объёмного расширения).
От чего зависит коэффициент теплоотдачи? Порядок его величины для различных случаев теплообмена.
Коэффициент конвективной теплоотдачи αтем больше, чем больше коэффициент теплопроводностиλи скорость потокаw,чем меньше коэффициент динамической вязкости υ и больше плотностьρи чем меньше приведенный диаметр каналаd.
Наиболее интересным с точки зрения технических приложений случаем конвективного теплопереноса является конвективная теплоотдача, то есть процесс двух конвективных теплообменов, протекающий на границе раздела двух фаз (твердой и жидкой, твердой и газообразной, жидкой и газообразной). При этом задача расчета состоит в нахождении плотности теплового потока на границе раздела фаз, то есть величины, показывающей, какое количество тепла получает или отдает единица поверхности раздела фаз за единицу времени. Помимо указанных выше факторов, влияющих на процесс конвективного теплообмена, плотность теплового потока зависит также от формы и размеров тела, от степени шероховатости поверхности, а также от температур поверхности и теплоотдающей или тепловоспринимающей среды.
Для описания конвективной теплоотдачи используется формула:
где qcт —плотность теплового потока на поверхности, Вт/м 2 ; α —коэффициент теплоотдачи, вт/(м 2 ·°С);T0иТст— температуры среды (жидкости или газа) и поверхности соответственно. ВеличинуT0 —Тст часто обозначают ΔТи называетсятемпературным напором.Коэффициент теплоотдачиαхарактеризует интенсивность процесса теплоотдачи; он возрастает при увеличении скорости движения среды и при переходе от ламинарного режима движения к турбулентному в связи с интенсификацией конвективного переноса. Он также всегда больше для тех сред, у которых выше коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплоотдачи существенно повышается, если на поверхности происходит фазовый переход (например, испарение или конденсация), всегда сопровождающийся выделением (поглощением) скрытой теплоты. На значение коэффициента теплоотдачи сильное влияние оказываетмассообменна поверхности.