Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя. Продольное обтекание пластины

Рассмотрим процесс теплоотдачи от потока теплоносителя к продольно омываемой им пластине. Скорость и температура набегающего потока постоянны и равны  и .Частицы жидкости, непосредственно, соприкасающиеся с поверхностью, адсорбируются («прилипают») к ней. Соприкасаясь с неподвижным слоем жидкости у поверхности, силами вязкости тормозятся и более удаленные слои, поэтому скорость их течения меньше, чем у набегающего потока.

Гидродинамический пограничный слой – зона потока, в которой за счет взаимодействия с поверхностью < . За толщину гидродинамического пограничного слоя  принимают расстояние от поверхности, на котором скорость становится .

На начальном участке пластины гидродинамический слой очень тонок и течение в нем ламинарное – струйки жидкости движутся параллельно, не перемешиваясь (рисунок 2.4). На некотором расстоянии ламинарное течение становится неустойчивым. В пограничном слое появляются вихри (турбулентные пульсации скорости). Далее турбулентный режим течения распространяется почти на всю толщину гидродинамического пограничного слоя.

Аналогично осуществляется тепловое взаимодействие потока с пластиной. Частицы жидкости, «прилипшие» к поверхности, имеют температуру, равную температуре поверхности . Толщина теплового пограничного слоя  принимается равной расстоянию от поверхности, на котором избыточная температура жидкости составляет .

Определение локального коэффициента теплоотдачи возможно раздельно по участкам гидродинамического пограничного слоя:

- ламинарное течение теплоносителя (на расстоянии  от начала пластины ( ); < ; 0,6≤ ≤1,5):

Отношение  в целом учитывает изменение свойств теплоносителя по толщине пограничного слоя. Величина этой поправки существенно отличается от 1 только для капельных жидкостей. Для газов можно считать ;

- турбулентное течение теплоносителя (пори расчетах условно полагают, что переход от ламинарного течения к турбулентному в пограничном слое происходит сразу при , < <10⁷; 0,7≤ ≤200 ):

.

Формулы для расчета средних по поверхности значений коэффициентов теплоотдачи используются уравнения:

- для ламинарного режима течения в пограничном слое на всей пластине ( <5·10⁵)

- для турбулентного режима течения в пограничном слое почти по всей длине пластины ( >>5·10⁵)

Сложный теплообмен

Разделение общего процесса переноса теплоты на элементарные составляющие (теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение) сделано для облегчения расчетов. На практике эти явления протекают одновременно.

Сочетание различных видов теплообмена может быть весьма разнообразным, и роль их в общем процессе неодинакова. Это так называемый сложный теплообмен. Процесс теплообмена между стенкой и омывающим её газом является типичным примером сложного теплообмена - совместного действия конвекции, теплопроводности и теплового излучения.

В теплотехнических расчетах при сложном теплообмене часто пользуются общим (суммарным) коэффициентом теплоотдачи  - суммой коэффициентов теплоотдачи конвекцией  и излучением ,

                                               .                                 (2.26)

Плотность теплового потока излучением

                             .                       (2.27)

Коэффициент теплоотдачи излучением находят как отношение плотности теплового потока излучением  к разности температур поверхности и газа:

                                            .                            (2.28)

Коэффициент теплоотдачи конвекцией находя из критериальных уравнений для данных условий теплообмена.

Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя. Продольное обтекание пластины

Рассмотрим процесс теплоотдачи от потока теплоносителя к продольно омываемой им пластине. Скорость и температура набегающего потока постоянны и равны  и .Частицы жидкости, непосредственно, соприкасающиеся с поверхностью, адсорбируются («прилипают») к ней. Соприкасаясь с неподвижным слоем жидкости у поверхности, силами вязкости тормозятся и более удаленные слои, поэтому скорость их течения меньше, чем у набегающего потока.

Гидродинамический пограничный слой – зона потока, в которой за счет взаимодействия с поверхностью < . За толщину гидродинамического пограничного слоя  принимают расстояние от поверхности, на котором скорость становится .

На начальном участке пластины гидродинамический слой очень тонок и течение в нем ламинарное – струйки жидкости движутся параллельно, не перемешиваясь (рисунок 2.4). На некотором расстоянии ламинарное течение становится неустойчивым. В пограничном слое появляются вихри (турбулентные пульсации скорости). Далее турбулентный режим течения распространяется почти на всю толщину гидродинамического пограничного слоя.

Аналогично осуществляется тепловое взаимодействие потока с пластиной. Частицы жидкости, «прилипшие» к поверхности, имеют температуру, равную температуре поверхности . Толщина теплового пограничного слоя  принимается равной расстоянию от поверхности, на котором избыточная температура жидкости составляет .

Определение локального коэффициента теплоотдачи возможно раздельно по участкам гидродинамического пограничного слоя:

- ламинарное течение теплоносителя (на расстоянии  от начала пластины ( ); < ; 0,6≤ ≤1,5):

Отношение  в целом учитывает изменение свойств теплоносителя по толщине пограничного слоя. Величина этой поправки существенно отличается от 1 только для капельных жидкостей. Для газов можно считать ;

- турбулентное течение теплоносителя (пори расчетах условно полагают, что переход от ламинарного течения к турбулентному в пограничном слое происходит сразу при , < <10⁷; 0,7≤ ≤200 ):

.

Формулы для расчета средних по поверхности значений коэффициентов теплоотдачи используются уравнения:

- для ламинарного режима течения в пограничном слое на всей пластине ( <5·10⁵)

- для турбулентного режима течения в пограничном слое почти по всей длине пластины ( >>5·10⁵)