Процессы и аппараты упаковочного производства

КОНВЕКЦИЯ И ТЕПЛООТДАЧА

Конвекция - передача теплоты при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты происходит как механически - макрообъемными частицами потока теплоносителя. В реальных условиях конвекция всегда сопровождается теплопроводностью иногда и тепловым излучением. Поэтому конвекция в теплообменных аппаратах существенно усложняется вследствие образования у поверхности стенки пограничного слоя, в котором Конвекция Затухает. Поэтому под термином Конвекция Понимают только самый Способ переноса теплоты Потоками теплоносителя.

При турбулентном режиме частицы жидкости или газа, быстро двигаясь в поперечном сечении потока, не ударяются непосредственно о стенку, а действуют на пограничный слой и отдают свою теплоту. Дальнейшая передача теплоты стенке происходит и в основном путем теплопроводности. При этом пограничный с представляет собой основное сопротивление процессу. Такой перенос теплоты называют Теплоотдачей. При ламинарном Режиме пограничный слой как бы разрастается до заполнения сечения канала слоистой струей, и конвекция сводится к одному направлению - параллельному Стенке. При этом перенос теплоты к стенке определяется в основном Теплопроводностью.

Теплопроводность — явление молекулярное, Конвекция — явление макроскопическое, При котором в переносе теплоты участвуют целые слои теплоносителя с разными тем- Пературами. Совершенно очевидно, что конвекцией теплота вносится намного быстрее, чем теплопроводностью, поэтому развитие турбулентности способствует ускорению конвективности переноса теплоты.

Наличие Гидродинамического пограничного слоя Вблизи поверхности стенки приводит к возникновению в нем большого перепада температур при теплопереносе (рис. 11-6), т. е. образованию Теплового пограничного слоя Толщиной , значение которой обычно не совпадает с толщиной гидродинамического пограничного слоя Очевидно, что высокие скорости теплоносителя, интенсивное перемешивание вызывают как бы «сдирание» пограничных слоев, улучшая этим условия теплоотдачи.

Теоретически толщину пограничного теплового слоя можно рассчитать только для простейших случаев теплопереноса. Поэтому использование уравнения теплопроводности Фурье для описания процесса затруднительно, так как неизвестен закон распределения температур —Dt/Dx В пограничном слое.

Q= -

Рис. 11-6. Гидродинамический и тепловой граничные слои в турбулентном потоке

Теплоотдачу, так же как и конвекцию, подразделяют на Свободную, Или Естественную (движение жидкости происходит вследствие разности плотностей в разных точках жидкости), и Вынужденную, Или Принудительную (движение жидкости происходит вследствие затраты на этот процесс энергии извне с помощью насоса, мешалки и т. п.) Обычно расчет скорости процесса теплоотдачи осуществляют с помощью эмпирического Закона охлажДения Ньютона, Который в дальнейшем будем называть Уравнением Теплоотдачи:

(11.3I)

В этом уравнении - коэффициент пропорциональности, или КоэфФициент теплоотдачи. При установившемся процессе для всей поверхности теплоотдачи F Уравнение (11.31) принимает вид

. (11.32)

Найдем размерность коэффициента теплоотдачи:

Таким образом, Коэффициент теплоотдачи показывает, какое Количество теплоты пере-дается от теплоносителя к 1 м2 поверх­Ности стенки (или от стенки поверхностью 1 м2 к теплоносителю) В единицу времени при разности температур между теплоносителем И стенкой 1 град.

В отличие от коэффициента теплопередачи К Коэффициент теплоотдачи характеризует скорость переноса теплоты в Тепло­носителе. Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов: режима движения и физических свойств теплоносителя (вязкости, плотности, теплопроводности и т. д.), геометрических параметров каналов (диаметра, длины), состояния поверхности омываемых теплоносителями стенок (шероховатая, полированная и т. п.), Таким образом, коэффициент теплоотдачи является функцией многих переменных, и простота уравнения (11.32) только кажу­щаяся, так как получить аналитическую зависимость для определения очень сложно.