АНАЛИЗ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА И ЕГО ВИДЫ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.317

Пириева Г.С.

лаборант

Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности (г. Баку, Азербайджан)

АНАЛИЗ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА И ЕГО ВИДЫ

Аннотация: конвективным теплообменом или теплоотдачей называется процесс переноса теплоты между поверхностью твердого тела и окружающей средой (газ или жидкость). При этом перенос теплоты осуществляется одновременным воздействием теплопроводности и конвекции. По природе возникновения, конвективная теплопередача может быть свободной и вынужденной. При свободном конвективном теплообмене движение жидкости происходит вследствие разности плотности нагретых и холодных ее частей в гравитационном поле. При вынужденном теплообмене движение частиц среды возникает за счет посторонних возбудителей, например, насоса, вентилятора и др. Процессы теплопередачи тесно связаны с условиями движения окружающей среды.

В статье анализируется конвективный теплообмен и его виды.

Ключевые слова: свободной теплопередача, вынужденной теплопередача, теплообмен, ламинарный режим, турбулентный режим.

Свободная (или естественная) конвективная теплопередача в электротехнологических установках, в частности в электрических печах, наблюдается как со стороны наружных стен печи (к окружающей среде), так и внутри печи, как омывание поверхности стен воздухом. При этом свободное движение воздуха может быть ламинарным и турбулентным. При ламинарном режиме струйки воздуха (или другого теплоносителя) при конвекции двигаются параллельно друг-другу, а при турбулентном струйки воздуха характеризуются беспорядочным движением. При слабом теплообмене при малых температурных напорах преобладает ламинарный режим, при больших - вихревой. Часто

одновременно действуют оба вида движения. Например, для вертикально расположенной нагретой плиты и горизонтально расположенных труб, шаров и цилиндров в нижней части наблюдается ламинарное, а в верхнее турбулентное движение (рис.1). Характер движения зависит также от расположения плиты, ее размеров и расположения теплоотдающей поверхности (вверх или вниз). При изучении теплопроводности между движущейся средой и поверхностью твердого тела если имеем дело со стационарными процессами, то число Фурье и критерий гомохронности отпадают.

Критериальное уравнение теплопроводности конвекцией строится по

типу:

Здесь Ки содержит в себе искомую величину а и является неопределяющим критерием, а критерии Яе, Ре, Ог, Рг - определяющими.

При естественной конвекции (у =0) из уравнения (1) отпадает число Рейнольдса:

Обработка многочисленных экспериментов по свободной конвекции при критериях подобия позволила академику Михееву М.А. получить зависимость:

Рис.1. Струйки воздуха при конвекции.

Ми = /(Яе, Ре, Ог) = ф(Яе, Ог, Рг), (1)

Ми = /(Ог, Рг).

Мит = с (Ог Рг)тп.

Значения с и п находят по таблице. Индекс т означает, что в качестве

температуры принята средняя температура пограничного слоя:

=

Тт 2 ,

где - температура стенки, ¿2- температура среды. Пример - Задача 1. Определить конвективную теплоотдачу боковых стен методической электрических печей. Поверхность стен 2x1,5x6,0=18 м2, температура поверхности стен 600С, температура воздуха 20 0С.

Определяющий размер-высота стены h=1,5 м, определяющая температура: 1т=0,5(60+20)=40°С.

Находим значения физического параметров, входящих в критерии подобия:

Я = 0,0276 Вт/м0С, у=1,7- 10-5м2/с, Рг =0,699

д13 1 9,8 -1,53 Сг = р М = —- • -—• 1010 • 40 = 14,7 • 109 И V2 313 1,72 ,

11

где, Р=-=--коэффициент объемного расширения.

273+40 313

Сг . Рг = 14,7 • ю9 • 0,699 = 1,03 • 10

10

1

Из таблицы находим с=0,135 и п = 3 и вычисляем: Ыи = 0,135^10,3 • 109 = 294,

Ыи^ Я 294 • 0,0276 " = -Г*- = !,5 = 5,42Вт/мС,

Тепловые потери боковых стен печи конвекцией будет: Q = аР(г2 - = 5,42 • 18 • 40 = 3902,4 Вт

Характер движения при вынужденной конвективной теплопередаче может быть ламинарным и турбулентным. Это зависит от скорости движения жидкости. Переход от ламинарного и турбулентному режиму происходит при достижении жидкости критической скорости и определяется числом Рейнолдса: Яв = 2200. При Яв<2200 режим ламинарный, при Яе>2200 режим турбулентный. Значение критической скорости определяется формулой:

укр = 2200 у/й, (V - коэффициент кинематической вязкости, ё-диаметр трубы).

Характер движения жидкости как при ламинарном так и при турбулентном режиме меняется по длине трубы. Поэтому меняется и коэффициент теплоотдачи. Для горизонтальных труб критериальное уравнение от ламинарного движения имеет вид:

Ыи = 0,74 (Яв Рт)0'2 (От -Яг}0'1. (2) Уравнение (2) позволяет вычислить коэффициент теплоотдачи при Ь >50й, где Ь - длина, й - диаметр трубы, При Ь<50 й надо учитывать поправочный множитель, £г - который находится по таблице (определяющим размером является диаметр трубы).

При вертикальном положении трубы и совпадении направлений свободного и вынужденного движения коэффициент теплоотдачи берется на 15% ниже вычисленного по формуле (2), а при противоположных направлениях на 15% выше. Если сечение трубы не круглое, то в качестве определяющего размера следует брать эквивалентный диаметр йэ =4Я/р, где F - площадь поперечного сечения, р - его диаметр.

Турбулентное движение в трубах определяется критериальным уравнением:

Ыи = 0,021 Яв0'8 Рт0'4. (3) Это выражение позволяет вычислить коэффициент теплоотдачи при Ь >50й. При Ь< 50й значение а следует умножать на поправочный множитель 81 - который находится по таблице.

Пример - Задача 2. Определить коэффициент теплоотдачи конвекцией воздушному потоку, движущейся в воздуховоде диаметром 5 бш и длиной 2 м, нагретом до 300 °С, при средней скорости воздуха 0,5 м/с и средней его температуре 100°.

Определяющая температура: = 300+100 = 200°,

Для этой температуры А,возд = 0,0393 Вт/м°С, V =34,85 • 10 6 Мр

Рг=0,68, р=1/473, = — = 0,5 • °'34150 =717 (режим ламинарный) Ог = м = . 200 ■ 1012 = 4,18 ■ 105

^ V2 473 (34,85)2

Определяем:

N^=0,74(715 • 0,68)0,2 • (4,18 ■ 105 ■ 0,68)0,1 = 9,06

Х,оз • Ми 0,0393 ■ 9,06 « = -Т- = 0,05 = 7Д2 ВТ/М°

Учитывая ^ = 40, £ = 1,02, тогда: а=7,12-1,02=7,27 Вт/м°С

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В статье рассматриваются конвективного теплообмен и его виды. В статье исследованы процессы теплопередачи при конвективном теплообмене. В ходе исследования процессы теплопередачи определялись с использованием математических выражений. Как известно, конвективный теплообмен или теплообмен - это процесс теплопередачи между поверхностью твердого тела и окружающей средой. В этом случае передача тепла осуществляется за счет совместного действия теплопроводности и конвекции. Таким образом, процесс теплопередачи в жидкостях и газах определяется коэффициентом теплоотдачи и градиентом температуры, как и в твердых телах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Ssfiyev E.S., Piriyeva /On the issue of assessing the temperature index and the range of heat resistance of polymeric electrical insulating materials/. Azsrbaycan Ali Texniki Msktsbbrinin Xsbsrbri № 1 ADNSU Baki, 2022 ssh 49-51;

2. Сафиев Э.С., Пириева Н.М. Автоматизированные электротехнологические установки. учебное пособие, Баку, 2020, с-216;

3. Пириева Н.М. Применения неравновесных электроразрядов в химических реакциях. Журнал «Инновационные научные исследования», Научно-издательский центр Вестник науки, № 5-3 (19) may 2022, г.Уфа, стр 5-14;

4. Piriyeva N.M. Fundamentals of the Theory and Calculation of the Induction Levitator of Electrical Devices. Journal Electricity, No. 7 pp. 68-75 Moscow 2022;

5. Пириев Г.С. Расчет при электрическом проектировании трансформаторов. Журнал «Инновационные научные исследования», Научно-издательский центр Вестник науки, № 9 Том 4 (66) сентябрь 2023, стр.328-334. DOI 10.24412/27128849-2023-966-328-334;

6. Pirieva N.M. To the calculation of electromechanical converters with levitation elements. Problems of Azerbaijan Energy No.3, Baku, 2020, pp. 21-30

Pirieva G.S.

Azerbaijan State University of Oil and Industry (Baku, Azerbaijan)

ANALYSIS OF CONVECTIVE HEAT TRANSFER AND ITS TYPES

Abstract: convective heat transfer or heat transfer is the process of heat transfer between the surface of a solid and the environment (gas or liquid). In this case, heat transfer is carried out by the simultaneous action of thermal conductivity and convection. By the nature of its occurrence, convective heat transfer can be free and forced. In free convective heat exchange, the movement of a liquid occurs due to the difference in density of its heated and cold parts in a gravitational field. In case of forced heat exchange, the movement of medium particles occurs due to extraneous pathogens, for example, a pump, a fan, etc. Heat transfer processes are closely related to the conditions of environmental movement.

The article analyzes convective heat transfer and its types.

Keywords: free heat transfer, forced heat transfer, heat transfer, laminar regime, turbulent

regime.