Коэффициент а в уравнении теплоотдачи

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.

• Ламинарный режим течения жидкости характеризуется величиной числа Re до 2300.
• При значении числа Re от 2300 до 10000 режим течения в трубах является переходным.
• Турбулентный режим течения в трубах наблюдается при числах Re более 10000.

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 ;

β – температурный коэффициент объемного расширения, град -1 ;

d – эквивалентный диаметр канала, м;

ν — кинематическая вязкость жидкости при средней температуре, м 2 /с;

Δt – средняя разность температур жидкости и стенки, °С.

Теплоотдача при ламинарном течении в трубах и каналах с учетом естественной конвекции. Если величина комплекса GrPr превышает 8·10 5 , то расчет коэффициента теплоотдачи необходимо проводить с учетом влияния естественной конвекции в потоке жидкости по следующему критериальному уравнению:

Индекс «ж» означает, что свойства среды, входящие в критерии подобия Re, Pr и Gr берутся при средней температуре жидкости.

Число Прандтля с индексом «с» Pr_с берется для жидкости при температуре стенки.

ε_L – коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи по длине трубы или канала. Его можно определить с помощью таблицы:

Значения коэффициента ε_L при ламинарном режиме

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

Теплоотдача при ламинарном течении в трубах и каналах без учета естественной конвекции. При значении GrPr 5 , влияние естественной конвекции на теплоотдачу жидкости пренебрежительно мало, и расчет коэффициента теплоотдачи можно проводить по следующему критериальному уравнению:

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» Pr_с 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.

ε_L – коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы или канала при турбулентном режиме течения. Значения ε_L приведены в следующей таблице при различных числах Рейнольдса и отношениях длины канала к его эквивалентному диаметру:

Значения коэффициента ε_L при турбулентном режиме

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 t_ж=50°С, температура стенки трубы t_с=10°С.

1. Определим физические свойства воды при температуре 50°С:

• Теплопроводность воды λ_ж= 0,648 Вт/(м·град);
• Плотность воды ρ_ж=988 кг/м 3 ;
• Кинематическая вязкость воды ν_ж=0,556·10 -6 , м 2 /с;
• Число Прандтля при температуре жидкости Pr_ж=3,54;
• Число Прандтля при температуре стенки Pr_с=9,52.

2. Рассчитаем среднюю скорость течения воды w по трубе:

3. Определим число Рейнольдса Re:

4. Поскольку число Рейнольдса имеет значение больше 1·10 4 , то режим течения является турбулентным и расчет теплоотдачи необходимо проводить по следующему критериальному уравнению:

Определим коэффициент ε_L по соотношению L/d=1/0,01=100. Поскольку L/d>50, то коэффициент ε_L=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» Pr_с 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 λ_эк.

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=t_c1-t_c2 — температурный напор между нагретой и холодной стенками, °С.

Отношение эквивалентного коэффициента теплопроводности λ_эк к величине теплопроводности окружающей жидкости при средней температуре называется коэффициентом конвекции ε_к, 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 t_ж=0,5(t_c1+t_c2). 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 t_с=80°С. Температура окружающего воздуха t_ж=20°С.

1. Определим физические свойства воздуха при температуре 20°С:

• Теплопроводность воздуха λ_ж= 0,0259 Вт/(м·град);
• Кинематическая вязкость воздуха ν_ж=15,06·10 -6 , м 2 /с;
• Число Прандтля при температуре жидкости Pr_ж=0,703;
• Число Прандтля при температуре стенки Pr_с=0,69;
• Коэффициент объемного расширения β_ж=1/(273+20)=0,00341 град -1 .

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.

Коэффициент теплоотдачи поверхность — воздух

В статье рассмотрен расчет мощности теплового потока от горизонтальных и вертикальных плоских поверхностей тела, помещенного в «безразмерное» воздушное пространство при принудительной и естественной конвекции с учетом радиационной составляющей теплоотдачи.

Зная коэффициент теплоотдачи на поверхности (α), разделяющей твердое тело и окружающее это тело воздушное пространство, очень просто определить мощность теплового потока (Q) по известной разности температур (Δt).

Q=α*A*Δt, Вт – мощность теплового потока от или к поверхности тела.

• α=α_к+α_р, Вт/(м 2 *К) – суммарный коэффициент теплоотдачи на границе воздух – поверхность тела
  • α_к=?, Вт/(м 2 *К) – коэффициент конвективной теплоотдачи
  • α_р=ε*5,67*10 -8 *((t_п+273,15) 4 — (t_в+273,15) 4 )/(t_п-t_в)), Вт/(м 2 *К) – коэффициент радиационной теплоотдачи (теплоотдачи излучением), ε – степень черноты поверхности
• А, м 2 – площадь поверхности
• Δt=|t_п-t_в|, К – разность температур поверхности и воздушной среды
  • t_п, °C – температура поверхности
  • t_в, °C – температура воздуха

Основная сложность расчета заключается в определении коэффициента конвективной теплоотдачи (α_к)! Автоматизировать в первую очередь решение этой трудоемкой задачи поможет Excel.

Нестабильность процесса естественной конвекции у поверхностей различной формы и расположения в пространстве породила большое разнообразие эмпирических формул для вычисления коэффициента конвективной теплоотдачи (α_к). Неизбежные погрешности экспериментальных данных привели к тому, что результаты вычислений для одних и тех же поверхностей и условий по формулам разных авторов отличаются друг от друга на 20% и более.

После тщательного детального ознакомления с материалами современных западных изданий по теплообмену (список литературы – в конце статьи) были выбраны формулы, рекомендованные к применению большинством авторов, для использования в представленной далее программе в Excel.

Схемы теплообмена:

На представленных ниже рисунках показаны 8 вариантов схем, для которых программа может выполнить вычисления.

Розовый цвет пластин свидетельствует о том, что они горячее окружающего воздуха. Голубой цвет – пластины холоднее воздуха.

На схемах 1а и 1б воздух принудительно движется (вентилятор, ветер) вдоль поверхности пластины независимо от её ориентации в пространстве. На всех остальных схемах окружающий воздух находится в спокойном состоянии (помещение, полный штиль), а положение пластин сориентировано в пространстве.

Расчет в Excel:

Формулы алгоритма программы:

t₀=(t_в+t_п)/2

l₀=L – для схем 1а и 1б

l₀=(B*L)/(2*(B+L)) – для схем 2а, 2б, 3а, 3б, 4а, 4б

Для определения теплофизических параметров воздуха при определяющей температуре (t₀) в диапазоне -70°C … +1200°C использованы формулы из предыдущей статьи на сайте.

Re=w*l₀/ν

Gr=g*β*|t_п— t_в|*l₀ 3 /ν 2

Ra=Gr*Pr

α_к=Nu*λ/l₀

α_р=ε*0,00000005670367*((t_п+273,15) 4 — (t_в+273,15) 4 )/(t_п-t_в)) – при t_в *) α_р=0 – при t_в>t_п

α=α_к+α_р

q=α*(t_п-t_в)

Q=q*B*L

*) Нагрев поверхностей Солнцем или иными источниками теплового излучения программой игнорируется.

Вычисление теплофизических параметров воздуха и числа Нуссельта, как видно из вышеприведенных формул, являются ключевыми и самыми трудоемкими при определении конвективного коэффициента теплоотдачи.

Тестирование программы проводилось на примерах из книг, представленных в конце статьи. Отклонения результатов в основном не выходили за пределы ±5%.

Замечание:

В отечественной теплотехнической литературе для решения рассмотренных задач широко используются формулы второй половины прошлого века М.А. Михеева и В.П. Исаченко, которые в современной западной литературе не упоминаются. Беглый сравнительный анализ результатов расчетов по формулам разных авторов дал противоречивые и неоднозначные ответы. Если при принудительной конвекции результаты фактически идентичны, то при естественной конвекции отличаются порой на 30% и более, но иногда почти совпадают…

Литература:

1. John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook (Fifth Edition), 2019.
2. Frank Kreith, Raj M. Manglik, Mark S. Bohn, Principles of heat transfer (Seventh Edition), 2011.
3. Adrian Bejan, Convection Heat Transfer (Fourth Edition), 2013.
4. Michel Favre-Marinet, Sedat Tardu, Convective Heat Transfer, 2009.
5. Harlan H. Bengtson, Convection Heat Transfer Coefficient Estimation, 2010.
6. Rajendra Karwa, Heat and Mass Transfer, 2017.
7. Stuart W. Churchill, Humbert H. S. Chu, Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 18, Issue 11, November 1975.
8. http://people.csail.mit.edu/jaffer/SimRoof/Convection/
9. И. И. Кирвель, М. М. Бражников, Е. Н. Зацепин ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОЦЕССАХ ТЕПЛООБМЕНА, 2007.

Прошу уважающих труд автора скачать файл с программой после подписки на анонсы статей!

P. S. (01.11.2020)

Дополнение по естественной конвекции у вертикальной поверхности:

Если построить графики по вышеприведенным формулам Черчилля и Чу для числа Нуссельта при естественной конвекции у вертикальной изотермической поверхности (схемы 2а и 2б), то можно увидеть, что при Ra=10 9 кривые не совпадают!

По этому поводу авторы формул Черчилль и Чу дают примерно следующее пояснение: «уравнение, основанное на исследованиях Черчилля и Усаги Nu=(0,825+0,387*Ra 1/6 /(1+(0,492/Pr) 9/16 ) 8/27 ) 2 дает хорошие результаты для средней теплопередачи при свободной конвекции у изотермической вертикальной пластины во всем диапазоне значений Ra и Pr от 0 до ∞, даже если оно не работает для обозначения дискретного перехода от ламинарного к турбулентному потоку». Линхарды в [1] отмечают, что рассматриваемое уравнение чуть менее точно для ламинарных условий при Ra 9 и рекомендуют в этом диапазоне использовать первое уравнение тех же авторов Nu=0,68+0,67*Ra ¼ /(1+(0,492/Pr) 9/16 ) 4/9 . Хотя, судя по графикам, в диапазоне Ra 7 для воздуха обе функции чрезвычайно близки друг к другу.

Еще один нюанс, который встретился только у Линхардов в [1]: «свойства флюида следует оценивать при t₀=(t_в+t_п)/2 за одним исключением, если флюид – газ, то коэффициент объемного расширения β следует определять при t₀=t_в». Но сами авторы зависимостей Черчилль и Чу о таком условии ничего не пишут. По этому поводу в их статье [7], говорится, что «для больших температурных перепадов, когда физические свойства существенно различаются, Ид рекомендует оценивать физические свойства как средние значения температуры поверхности и объема, а Уайли дает более подробные теоретические указания для режима ламинарного пограничного слоя».

Максимальная относительная ошибка для Nu=(0,825+0,387*Ra 1/6 /(1+(0,492/Pr) 9/16 ) 8/27 ) 2 , если β=1/t_в вместо β=2/( t_в+t_п), составляет в процентах:

ε=(((t_в+t_п)/(2*t_в)) 1/3 -1)*100%, или

ε=((|(t_п— t_в)|/(2*t_в)+1) 1/3 -1)*100%

Как видно из графика при температуре среды — воздуха t_в=20°C=293,15K и при перепаде температур поверхности и воздуха Δt=|t_п— t_в| 90 °C расхождение результатов быстро нарастает.

Правы Линхарды или множество других авторов, рассчитывающих все свойства флюидов при одном значении определяющей температуры t₀=(t_в+t_п)/2? Однозначного ответа у меня нет.

(По материалам Обри Джаффера [8].)

Эмпирические уравнения для суммарного коэффициента теплоотдачи:

В инженерных расчетах для быстрого приближенного определения суммарного коэффициента теплоотдачи, учитывающего и конвекцию, и излучение на границе поверхность тела – среда, можно использовать более простые зависимости, приведенные в [9].

При расчете тепловых потерь через наружные поверхности тел, которые находятся в спокойном воздухе закрытых помещений, можно применить нижеприведенные формулы. Результаты вычислений по этим формулам достаточно близки к результатам более точных расчетов.

α=9,74+0,07*(t_п-t_в), Вт/(м2*°C) при t_п On-line калькуляторы для расчетов коэффициентов конвективной теплоотдачи от плоских, цилиндрических и сферических поверхностей:

Инструменты представлены Группой исследований теплопередачи (HTRG). Группа была создана в 2014 году преподавателями Лаборатории теплотехники и жидкостей факультета машиностроения инженерной школы Сан-Карлоса (EESC) Университета Сан-Паулу (USP) для проведения передовых, качественных фундаментальных и прикладных исследований по вопросам теплопередачи для многофазных и однофазных систем.

Точность результатов вычислений не проверял.

ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА | ВАЖНЫЕ КОНЦЕПЦИИ И 15 часто задаваемых вопросов

СОДЕРЖАНИЕ

• ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
• ЗНАЧЕНИЕ ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
• ФОРМУЛА ДЛЯ ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
• ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА С ЗАГРЯЗНЕНИЕМ
• ОБЩИЕ ЕДИНИЦЫ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООБМЕНА
• ВЛИЯНИЕ РАСХОДА НА ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА

• ТАБЛИЦА ОБЩИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООБМЕНА
• СРЕДНИЙ ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
• ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА НА ВНУТРЕННЕЙ ПЛОЩАДИ
• РАЗНИЦА МЕЖДУ ИНДИВИДУАЛЬНЫМ И ОБЩИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
• ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
• ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ НА ИНТЕРВЬЮ

ЧТО ТАКОЕ ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА?

В промышленности проблемы теплопередачи обычно решаются для композитных материалов или систем с разными слоями, которые включают разные режимы теплопередачи, такие как теплопроводность, конвекция и излучение. Тепловое сопротивление, обеспечиваемое различными слоями в системе, называется общим коэффициентом теплопередачи. Он также известен как U-фактор.

U-фактор, который используется при расчете общей теплопередачи, аналогичен коэффициенту конвективной теплопередачи, используемому в законе охлаждения Ньютона. Общий коэффициент теплопередачи зависит от геометрии объекта или поверхности. Например, в стене мы можем наблюдать различные режимы теплопередачи, внешняя поверхность стены испытывает конвекционный теплоперенос, а пространство между стенами подвергается теплопроводному режиму теплопередачи.

Общий коэффициент теплопередачи стены считается суммой коэффициента конвективной теплопередачи и коэффициента теплопроводности. Короче говоря, общий коэффициент теплопередачи — это сумма индивидуальных коэффициентов теплопередачи. Дальнейшие объяснения по вычислению общего коэффициента теплопередачи и его использованию для задач теплопередачи композитных материалов поясняются ниже.

ЗНАЧЕНИЕ ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

В промышленных приложениях важно знать общий коэффициент теплопередачи, особенно в тех случаях, когда скорость теплопередачи необходимо оптимизировать для повышения производительности системы. Чтобы рассчитать коэффициент теплопередачи Q (точка) для любой системы с разными жидкостями или разными слоями, важно знать общий коэффициент теплопередачи.

По значению общего коэффициента теплопередачи и скорости теплопередачи можно рассчитать индивидуальный коэффициент теплопередачи. Это поможет изменить определенную часть тепловой системы для повышения производительности в соответствии с требованиями.

В установившихся условиях скорость передачи тепла от жидкости при объемной температуре T1 к твердому телу при объемной температуре T2 на увеличивающейся площади dA определяется скоростью теплопередачи dQ (точка), т.е.

dQ (точка) = U * (T₂ — Т₁) * А

Здесь общий коэффициент теплопередачи обозначен буквой U.

ФОРМУЛА ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООБМЕНА | КАК НАЙТИ ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА | ФОРМУЛА ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООБМЕНА | КАК РАССЧИТАТЬ ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА | ВЫВОД ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Формула для общего коэффициента теплопередачи имеет вид

Qdot = U * (T₁ + T₂) * А

Вывод для общего коэффициента теплопередачи для стены приведен ниже.

Рассмотрим композитную стену, которая подвергается воздействию внешней среды при температуре T1, и коэффициент проводимости отмечен как H₁. Температура окружающей среды внутри помещения T2, а коэффициент конвекции H₂. Здесь для передачи тепла используются теплопроводность и конвекция. Каждая сторона стены испытывает теплопередачу за счет конвекции разной величины.

Температура внутри стены варьируется и составляет значение от T1 до T2, если нет источника тепловыделения внутри стены. В этом случае коэффициент проводимости стены принимается равным K, если только стена не состоит из разных слоев, что является обычным случаем. В реальной жизни стена состоит из разных слоев, таких как штукатурка, кирпич, цемент и т. Д. В таких случаях важно учитывать тепловое сопротивление, обеспечиваемое каждым слоем стены.

Общий коэффициент теплопередачи для вышеуказанной системы приведен ниже:

И скорость теплопередачи Q (точка) = UAΔT

Очевидно, что U не является теплофизическим свойством и зависит от потока, скорости, а также от материала, через который происходит передача тепла.

ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА С ЗАГРЯЗНЕНИЕМ

Загрязнение — обычная проблема, с которой сталкиваются теплообменники. Это дополнительный слой, который образуется на внутренней поверхности теплообменника. Несколько факторов способствуют загрязнению поверхностей теплообменников. Скорость теплопередачи снижается из-за загрязнения, которое, в свою очередь, влияет на эффективность теплопередачи.

Снижение эффективности теплопередачи учитывается в расчетах с использованием коэффициента загрязнения. Его часто называют фактором загрязнения. Фактор загрязнения зависит от жидкости по обе стороны теплообменника.

Общий коэффициент теплопередачи с засорением определяется выражением

В приведенном выше уравнении

U представляет собой общий коэффициент теплопередачи

h₀ — коэффициент теплоотдачи со стороны кожуха

h_i коэффициент теплопередачи на стороне трубы

R_do фактор загрязнения на стороне оболочки

R_di фактор загрязнения на стороне трубы

OD — внешний диаметр трубки

ID — это внутренний диаметр трубки.

A₀ это внешняя площадь трубки

A_i это внутренняя площадь трубки

K_w значение сопротивления стенки трубы

Из уравнения очевидно, что значение общего коэффициента теплопередачи уменьшается с увеличением одного или обоих значений коэффициента загрязнения (т.е. со стороны трубы или со стороны кожуха). Это уменьшение общего коэффициента теплопередачи, в свою очередь, приведет к снижению скорости теплопередачи.

УСТАНОВКИ ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООБМЕНА | ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЕДИНИЦЫ ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООБМЕНА | ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Единица измерения общего коэффициента теплопередачи в системе СИ — Вт / м. 2 K. Другой единицей измерения общего коэффициента теплопередачи является британская тепловая единица / (час.фут). 2 0 F).

Преобразование единиц СИ в английские единицы происходит следующим образом:

1 Вт / м 2 K = = 0.1761 Британские тепловые единицы / (час-фут 2 0 F).)

ВЛИЯНИЕ РАСХОДА НА ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА | ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И РАСХОДА

Скорость потока влияет на общий коэффициент теплопередачи. Отмечено уменьшение коэффициента теплопередачи на 10% при увеличении массового расхода в три раза. Эта оценка коэффициента теплопередачи основана на корреляции Диттуса-Боелтера.

При сохранении постоянной площади наблюдается увеличение коэффициента теплопередачи за счет увеличения массового расхода. Ожидается увеличение коэффициента теплопередачи на 90% за счет удвоения массового расхода. При таком увеличении ожидается увеличение падения давления, которое пропорционально массовому расходу.

В случаях, когда скорость постоянна, падение давления уменьшается и обратно пропорционально массовому расходу. Положительные стороны, которые достигаются за счет более высокого коэффициента теплопередачи, теряются из-за увеличения падения давления, когда площадь остается постоянной.

ТАБЛИЦА ОБЩИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООБМЕНА

В таблице ниже представлен общий коэффициент теплопередачи для небольшого количества оборудования, которое очень часто используется в промышленности. Диапазон указан потому, что общий коэффициент теплопередачи зависит от жидкости, которая используется в оборудовании. Для газов значение коэффициента теплопередачи очень низкое, а для жидкостей намного выше.

Оборудование	U (Вт / м 2)
Теплообменник	5-1500
Кулеры	5-1200
Обогреватели	20-4000
Конденсаторы	200-1500
С воздушным охлаждением Теплообменники	50-600

Таблица 1: Общий коэффициент теплопередачи для различного оборудования

СРЕДНИЙ ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

В задачах теплопередачи, которые состоят из двух разных жидкостей, которыми могут быть вода и спирт при двух разных температурах, в таких случаях для решения проблемы теплопередачи используется средняя температура двух жидкостей, которая называется средней общей теплопередачей. коэффициент.

Возьмем Q за тепло, протекающее через поверхность при средней температуре ΔT_{средний}, а площадь, по которой происходит теплопередача, принимается равной A. Средний общий коэффициент теплопередачи для этого теплового потока приведен ниже.

ОБЩИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА НА ВНУТРЕННЕЙ ПЛОЩАДИ

Для теплообменников общий коэффициент теплопередачи может быть основан либо на внутренней, либо на внешней площади.

Когда общий коэффициент теплопередачи рассчитывается на основе внутренней площади, коэффициент конвекции внутри принимается равным 1 / ч._i, а коэффициент проводимости на границе принят равным 1 / ln (r₀/r_i) / 2πkL, а коэффициент конвекции на внешней поверхности теплообменника принимается равным 1 / ч₀.

Следовательно, общий коэффициент теплопередачи на основе внутренней площади задается как

Когда общий коэффициент теплопередачи рассчитывается на основе внешней площади, коэффициент конвекции внутри принимается равным 1 / ч._i, а коэффициент проводимости на границе принят равным 1 / ln (r₀/r_i) / 2πkL, а коэффициент конвекции на внешней поверхности теплообменника принимается равным 1 / ч₀.

Следовательно, общий коэффициент теплопередачи на основе внутренней площади задается как

Существенная разница между двумя уравнениями заключается в площади, когда общий коэффициент теплопередачи основан на внутренней площади, в уравнении используется внутренняя площадь теплообменника. В то время как, когда общий коэффициент теплопередачи основан на внешней площади, внешняя площадь берется в уравнении.

РАЗНИЦА МЕЖДУ ИНДИВИДУАЛЬНЫМ И ОБЩИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Когда тепло проходит через композитный материал, тепловое сопротивление, обеспечиваемое различными слоями материала, которое может быть связано с теплопроводностью или конвекцией, называется общим коэффициентом теплопередачи. Общий коэффициент теплопередачи — это сумма индивидуальных коэффициентов теплопередачи. Тепловое сопротивление аналогично электрическому сопротивлению в цепи. Здесь коэффициент теплопередачи зависит от материала при последовательном или параллельном расположении.

Большой интерес представляет определение индивидуального коэффициента теплопередачи из общего коэффициента теплопередачи. Например, для теплообменника общий коэффициент теплопередачи может быть измерен экспериментально, исходя из этого общего коэффициента, задача, которую необходимо решить, — выделить тепловое сопротивление, обеспечиваемое горячей и холодной текучей средой по отдельности.

ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Предположим, что стена толщиной 5 см сделана из кирпича с теплопроводностью K = 20 Вт / м К. Внутренняя поверхность стены подвергается воздействию комнатной температуры 25 ° C. 0 C, в то время как внешняя поверхность подвергается воздействию горячей атмосферы с температурой 40 ° C. 0 C. Каков общий коэффициент теплопередачи с учетом коэффициента конвекции воздуха 25? Вт / м 2 K?

Исходя из вышеупомянутой проблемы, мы можем сделать вывод, что система подвержена конвекции с обеих сторон стены и теплопроводности внутри стены. Теплопроводность стены составляет 20 Вт / мК, а коэффициент конвекции воздуха — 25 Вт / м. 2 K.

= 12.12 Вт / м 2 K

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ НА ИНТЕРВЬЮ

1. уравнение общего коэффициента теплопередачи теплообменник

2. общий коэффициент теплопередачи двойной трубы | двухтрубный теплообменник общий коэффициент теплопередачи

3. формула общего коэффициента теплопередачи для цилиндра

Общий коэффициент теплопередачи для цилиндра определяется формулой, приведенной ниже, в которой наблюдается как кондуктивный, так и конвекционный режим теплопередачи.

4. общий коэффициент теплопередачи испарителя.

Тип	U (Вт / м 2 K)
Естественная циркуляция — пар выходит наружу, а высоковязкая жидкость течет внутри.	300-900
Естественная циркуляция — пар выходит наружу, а жидкость с низкой вязкостью течет внутри	600-1700
Принудительная циркуляция — пар выходит наружу, а жидкость течет внутрь	900-3000

Таблица 2: Общий коэффициент теплопередачи для испарителей

5. Общий коэффициент теплоотдачи кожухотрубных | общий коэффициент теплопередачи кожухотрубного теплообменника | как рассчитать общий коэффициент теплопередачи для теплообменника | Как рассчитать общий коэффициент теплопередачи испарителя?

Общий коэффициент теплопередачи для любого теплообменника можно рассчитать с помощью приведенного ниже уравнения, используемый метод может отличаться. Также можно выбрать метод LMTD

6. Общий коэффициент теплопередачи графитового теплообменника.

Общий коэффициент теплопередачи для теплообменников, отлитых из графита в графит, составляет около 1000 Вт / м. 2 K, тогда как общий коэффициент теплопередачи графита в воздух составляет 12 Вт / м 2 K

7. Общий коэффициент теплопередачи алюминия

Общий коэффициент теплопередачи для алюминия составляет 200 Вт / м. 2 K

8. Общий коэффициент теплопередачи теплообменника воздух-воздух.

Общий коэффициент теплопередачи воздух-воздух составляет от 350 до 500 Вт / м. 2 K.

9. Площадь теплообменника от общего коэффициента теплопередачи.

Площадь теплообменника можно рассчитать из общего коэффициента теплопередачи по следующей формуле

10. В каком процессе теплообмена значение общего коэффициента теплопередачи будет самым высоким?

Общий коэффициент теплопередачи является самым высоким для трубчатых теплообменников, используемых для испарения, когда пар выходит за пределы трубок, а жидкость течет внутри. Отмечено, что они имеют общий коэффициент теплопередачи в диапазоне от 900 до 3000 Вт / м. 2 K.

11. Может ли общий коэффициент теплопередачи быть отрицательным?

В случаях, когда эталонная температура принимается за адиабатическую температуру стенки, общий коэффициент теплопередачи будет отрицательным, что указывает на то, что тепловой поток направлен в противоположном направлении с определенным градиентом температуры.

12. Меняется ли общий коэффициент теплопередачи с температурой?

Общий коэффициент теплопередачи зависит от температурного градиента; следовательно, изменения температуры могут привести к изменению температурного градиента. Итак, да, общий коэффициент теплопередачи зависит от температуры.

13. Каков общий коэффициент теплопередачи и его применение?

Тепловое сопротивление, обеспечиваемое различными слоями в системе, называется общим коэффициентом теплопередачи. Он также известен как U-фактор. Он используется для извлечения индивидуального коэффициента теплопередачи различных слоев системы.

Общий коэффициент теплопередачи системы можно измерить, но получить индивидуальный коэффициент теплопередачи системы сложно. В таких ситуациях общий коэффициент теплопередачи вместе со скоростью теплопередачи поможет определить индивидуальный коэффициент теплопередачи.

14. Какие факторы влияют на общий коэффициент теплопередачи?

Факторами, влияющими на общий коэффициент теплопередачи, являются теплофизические свойства, такие как плотность, вязкость и теплопроводность жидкости. Кроме того, на это влияет геометрия и площадь, в которой происходит теплопередача. Скорость жидкости в значительной степени влияет на общий коэффициент теплопередачи. В теплообменниках тип потока также оказывает значительное влияние на общий коэффициент теплопередачи.

15. Каков общий коэффициент теплопередачи в круглых трубах? | общий коэффициент теплопередачи трубы

Жидкость, протекающая через круглую трубу, испытывает конвективный теплоперенос между текучей средой, протекающей снаружи, и внешней поверхностью трубы, а также между текучей средой, протекающей внутри, и внутренней поверхностью трубы. Между внешней и внутренней поверхностями трубки происходит теплопроводный перенос тепла. Следовательно, общий коэффициент теплопередачи определяется следующим образом:

(1 / UA) общий = (L / kA) внутренний + (1 / hA) + (L / kA) внешний

Где k — коэффициент теплопроводности трубы, а h — коэффициент конвективной теплоотдачи.

Нажмите Ссылка на, для последней информации о термостатическом расширительном клапане.

Чтобы узнать больше о механике, пожалуйста следуйте за нами.

Последние сообщения о механических и тепловых