Здавалка
Главная | Обратная связь

Нагрев и охлаждение тел конвекцией



 

Теплообмен между движущимся теплоносителем и нагреваемой поверхностью описывается формулой Ньютона*. Согласно этой формуле тепловой поток прямо пропорционален разности температур и площади поверхности теплообмена, Вт

 

Q = a٠ (to - tn) F; (2.1)

 

где to – температура газа;

tn – температура поверхности;

a - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м2×град);

F – площадь поверхности, м2.

Плотность теплового потока, подводимого при нагреве или отводимого при охлаждении от твердой поверхности определяется из уравнения

q = a (to - tn). (2.2)

Как уже отмечалось (см. формулу (1.3), для случая теплопроводности, согласно закону Фурье, плотность теплового потока q (Вт/м2) определяется как

где - градиент температуры, показывающий падение температуры в направлении оси х, К/м;

l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К).

Поскольку конвективный теплообмен всегда сопровождается теплопроводностью, то исходя из (1.3) и (2.2), можно сформулировать основное уравнение передачи тепла конвекцией

Отсюда можно найти коэффициент теплопередачи

(2.3)

Это уравнение включает градиент температур, который зависит от скорости движения движущегося теплоносителя в пограничном пристеночном слое нагреваемого тела и от теплофизических характеристик движущейся среды. Поэтому решение этого уравнения не имеет строгого аналитического решения. Определение коэффициента теплоотдачи при решении практических задач осуществляется с помощью различных полуэмпирических формул.

Для расчета коэффициента конвективной теплоотдачи aк, когда движение газов происходит вдоль плоской стенки, применяют формулы, указанные в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Значения коэффициента теплоотдачи aк, Вт/(м2×град), в зависимости от состояния поверхности и скорости движения газов

Состояние поверхности При скорости движе-ния газа w < 5 м/сек При скорости движения газа w > 5 м/сек
Полированная 5,57 + 3,9w 7,51 w0,78
Прокатная 5,8 + 3,94w 7,53w0,78
Шероховатая 6,15 + 4,18w 7,94w0,78

Чтобы пользоваться табл. 2.1, нужно предварительно пересчитать истинную скорость движения газов при соответствующей температуре на скорость при 20 оС, так как данные были получены экспериментально при комнатной температуре. Пересчет скорости газов при 20 оС ω20, м/сек выполняется по формуле

. (2.4)

Например, если истинная скорость ωt при температуре 300 оC равна 15 м/сек, то при 20 °С скорость газов составит:

м/сек,

т. е. вдвое меньше, чем при 300 оC.

Формулу (2.4) удобно применять при вычислении теплообмена конвекцией стенками печи.

Пример 2.1.1. Требуется определить количество тепла, передаваемого на 1 м2 кирпичной стенки печи горячим газом, движущимся вдоль стенки со скоростью w = 3 м/сек. Температура газа составляет 500 °С, температура стенки - 100 °С.

Решение. По формуле (2.4) определим скорость газа при 20°:

м/сек.

Так как w20 < 5 м/сек и стенка шероховатая согласно табл. 4 имеем

aк = 6,15 + 4,18w = 6,15 + 4,18×1,13 = 10,87 Вт/(м2×град).

Количество передаваемого тепла согласно (2.2) будет q = 10,87(500 - 100) = 4349 Вт/м2.

Для расчета коэффициента теплоотдачи при низких температурах, например при вычислении теплообмена конвекцией от наружной поверхности печи к окружающему воздуху, можно использовать следующую формулу:

(2.5)

где t1 —температура стенки печи;

t2 —температура газа (воздуха);

А коэффициент, зависящий от положения поверхности.

При горизонтальном положении поверхности (рис. 2.1, б), обращенной к верху, например, для пода печи, А = 1,4; при горизонтальном положении поверхности, обращенной книзу – свода (рис. 2.1, а), А = 2,8; при вертикальном положении поверхности (рис. 2.1, в), например, для стен печи, А = 2,2.

Пример 2.1.2. Температура наружной стенки печи t1 = 100 °С, температура воздуха в цехе t2 = 20 °С. Найти передачу тепла конвекцией от вертикальной стенки печи к воздуху.

Решение. Для вертикальной стенки коэффициент положения поверхности А = 2,56. Тогда по формуле (2.5) подсчитаем значение коэффициента теплоотдачи конвекцией Вт/(м2×град); плотность теплового потока согласно (2.1') составит q = 7,68 (100 - 20) = 614,4 Вт/м2.

 

 







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.