Теплоотдача это

Теплопередача — это важный физический процесс. Он предполагает перенос теплоты и является сложным процессом, который состоит из совокупности простых превращений.

Существуют определенные виды теплопередачи: конвекция, теплопроводность, тепловое излучение.

«>

Особенности процесса

Теория теплообмена является наукой об особенностях передачи теплоты. Теплопередача — это перенос энергии в газообразных, жидких, твердых средах.

Теория о теплоте появилась в середине XVIII века. Ее автором стал М. В. Ломоносов, который сформулировал механическую теорию теплоты, воспользовавшись законом сохранения и превращения энергии.

«>

Варианты теплообмена

Теплопередача — это составная часть теплотехники. Разные тела могут обмениваться своей внутренней энергией в форме теплоты. Вариант теплообмена является самопроизвольным процессом передачи теплоты в свободном пространстве, который наблюдается при неравномерном распределении температур.

Разность в значениях температур является обязательным условием проведения теплообмена. Распространение тепла происходит от тел, имеющих более высокую температуру, к телам, обладающим меньшим ее показателем.

Результаты исследований

Теплопередача — это процесс переноса тепла и внутри твердого тела, но при условии, что есть разность температур.

Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что теплопередача ограждающих конструкций является сложным процессом. Для того чтобы упростить изучение сути явлений, связанных с передачей тепла, выделяют элементарные операции: кондукцию, излучение, конвекцию.

Теплопроводность: общая информация

Чаще всего используется какой вид теплопередачи? Переносом вещества внутри тела можно изменить температуру, например, нагревая металлический стержень, увеличить скорость теплового движения атомов, молекул, повысить показатель внутренней энергии, увеличить теплопроводность материала. По мере соударения частиц происходит постепенная передача энергии, в результате чего весь стержень меняет свою температуру.

Если рассматривать газообразные и жидкие вещества, то передача энергии путем теплопроводности в них имеет незначительные показатели.

«>

Конвекция

Такие способы теплопередачи связаны с переносом теплоты при движении в газах или жидкостях из области с одним температурным значением в область с другим ее показателем. Существует подразделение конвекции на два вида: вынужденную и свободную.

Во втором случае происходит перемещение жидкости под воздействием разности в плотностях ее отдельных частей из-за нагревания. К примеру, в помещении от горячей поверхности радиатора холодный воздух поднимается вверх, получая от батареи дополнительное тепло.

В тех случаях, когда для перемещения тепла необходимо применение насоса, вентилятора, мешалки, ведут речь о вынужденной конвекции. Прогревание по всему объему жидкости в этом случае происходит существенно быстрее, нежели при свободной конвекции.

«>

Излучение

Какой вид теплопередачи характеризует изменение температурного показателя в газообразной среде? Речь идет о тепловом излучении.

Именно оно предполагает перенос тепла в виде электромагнитных волн, подразумевающий двойной переход тепловой энергии в излучение, затем обратно.

Особенности передачи тепла

Для того чтобы проводить расчет теплопередачи, необходимо иметь представление о том, что для теплопроводности и конвекции нужна материальная среда, а для излучения в этом нет необходимости. В процессе теплообмена между телами наблюдается уменьшение температуры у того тела, у которого этот показатель имел большую величину.

На такую же точно величину повышается температура холодного тела, что подтверждает полноценный процесс обмена энергией.

Интенсивность теплообмена зависит от разности в температурах между телами, которые обмениваются энергией. Если она практически отсутствует, процесс завершается, устанавливается тепловое равновесие.

«>

Характеристика процесса теплопроводности

Коэффициент теплопередачи связан со степенью нагретости тела. Температурным полем называют сумму показателей температур для разных точек пространства в определенный момент времени. При изменении значения температуры в единицу времени поле является нестационарным, для неизменной величины – стационарным видом.

Изотермическая поверхность

Независимо от температурного поля, всегда можно выявить точки, имеющие одинаковое температурное значение. Геометрическое расположение их образует определенную изотермическую поверхность.

В одной точке пространства не допускается одновременного нахождения двух разных температур, поэтому изотермические поверхности не могут пересекаться между собой. Можно сделать вывод о том, что изменение в теле значения температуры проявляется лишь в тех направлениях, которые пересекают изотермические поверхности.

Максимальный скачок отмечается в направлении нормали к поверхности. Температурный градиент представляет собой отношение наибольшего показателя температур к промежутку между изотермами и является векторной величиной.

Он показывает интенсивность изменения температуры внутри тела, определяет коэффициент теплопередачи. То количество теплоты, которое будет переноситься через любую изотермическую поверхность, называют тепловым потоком.

Под его плотностью подразумевают отношение к единице площади самой изотермической поверхности. Эти величины являются векторами, противоположными по направлению.

«>

Закон Фурье

Он является основным законом теплопроводности. Суть его заключается в пропорциональности плотности теплового потока градиенту температуры.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность тел пропускать теплоту, он зависит от физических свойств вещества и его химического состава, влажности, температуры, пористости. Влага при заполнении пор стимулирует повышение теплопроводности. При высокой пористости внутри тела содержится повышенное количество воздуха, что сказывается на уменьшении показателя теплопроводности.

Определенный коэффициент сопротивления теплопередаче есть у всех материалов, найти его можно в справочниках.

Теплопроводность в твердой стенке

В качестве обязательного условия для данного процесса считается разность температур поверхностей стенки. В такой ситуации образуется поток теплоты, который направлен от стенки с большим значением температуры к поверхности стенки с небольшой температурой.

По закону Фурье тепловой поток будет пропорционален площади стенки, а также температурному напору, и обратно пропорционален толщине этой стенки.

Приведенное сопротивление теплопередаче зависит от теплопроводности материала, из которого изготовлены стенки. Если они включают в себя несколько разных слоев, их считают многослойными поверхностями.

В качестве примера подобных материалов можно назвать стены домов, где на кирпичный слой наносят внутреннюю штукатурку, а также внешнюю облицовку. В случае загрязнения наружной поверхности передающей тепловую энергию, к примеру, радиаторов либо двигателей, грязь можно рассмотреть как наложение нового слоя, имеющего незначительный коэффициент теплопроводности.

Именно из-за этого снижается теплообмен, возникает угроза перегревания работающего двигателя. Аналогичный эффект вызывает нагар и накипь. При увеличении количества слоев стенки растет ее максимальное термическое сопротивление, уменьшается величина теплового потока.

Для многослойных стенок распределение температуры является ломаной линией. Во многих теплообменных аппаратах осуществляется прохождение теплового потока через стенки круглых трубок. Если нагревающее тело движется внутри таких трубок, то в таком случае тепловой поток направлен к наружным стенкам от внутренних частей. При наружном варианте наблюдается обратный процесс.

«>

Теплопередача: особенности процесса

Существует взаимодействие между тепловым излучением, конвекцией, теплопроводностью. Например, в процессе конвекции происходит тепловое излучение. Теплопроводность в пористых материалах невозможна без излучения и конвекции.

При проведении практических вычислений деление сложных процессов на отдельные явления не всегда целесообразно и возможно. В основном результат суммарного воздействия нескольких простейших явлений приписывают тому процессу, который считается основным в конкретном случае.

Второстепенные процессы при таком подходе учитывают только для количественных вычислений.

В современных теплообменных аппаратах происходит передача теплоты от одного вида жидкости к другой жидкости через стенку, которая их разделяет. Важным фактором, который влияет на коэффициент теплообмена, является форма стенки. Если она плоская, в таком случае можно выделить три этапа теплопередачи:

• к поверхности стенки от нагревающей жидкости;
• теплопроводностью через стенку;
• к нагреваемой жидкости к поверхности стенки.

Полное термическое сопротивление теплопередачи является величиной, которая обратна коэффициенту теплопередачи.

Заключение

Теплопроводность является процессом передачи внутренней энергии от нагретых участков тела к его холодным частям. Подобный процесс осуществляется с помощью беспорядочно движущихся атомов, молекул, электронов. Такой процесс может происходить в телах, которые имеют неоднородное распределение значений температур, но будет отличаться в зависимости от агрегатного состояния рассматриваемого вещества.

Можно рассматривать данную величину в качестве количественной характеристики способности тела к провождению тепла. Удельной теплопроводностью называют количество тепла, которое может проходить через материал, имеющий толщину 1м, площадь 1 м²/сек.

Долгое время считали, что существует взаимосвязь между передачей тепловой энергии и перетеканием от тела к телу теплорода. Но после проведения многочисленных экспериментов была выявлена зависимость подобных процессов от температуры.

В реальности при проведении математических расчетов, касающихся определения количества теплоты, передаваемой разными способами, учитывают проводимость путем конвекции, а также проникающее излучение. Коэффициент теплопередачи связан со скоростью передвижения жидкости, характером движения, его природой, а также с физическими параметрами движущейся среды.

В качестве носителей лучистой энергии выступают электромагнитные колебания, имеющие разную длину волн. Излучать их могут любые тела, температура которых превышает нулевое значение.

Излучение является результатом процессов, происходящих внутри тела. При попадании его на другие тела наблюдается частичное ее поглощение и частичное поглощение телом.

Закон Планка определяет зависимость плотности поверхностного потока излучения черного тела от абсолютной температуры и длины волны.

Простейшие виды теплообмена, которые были рассмотрены выше, не существуют по отдельности, они взаимосвязаны друг с другом. Сочетание их является сложным теплообменом, который предполагает серьезное изучение и детальное рассмотрение.

В теплотехнических расчетах используют суммарный коэффициент передачи тепла, который представляет собой совокупность коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, которое учитывает теплопроводность, конвекцию, излучение.

При правильном подходе и учете отдельных тепловых явлений можно с высокой достоверностью рассчитать количество теплоты, переданное телу.

www.syl.ru

Понятие теплопередача (теплообмен) охватывает совокупность явлений передачи теплоты из более нагретой подвижной среды в другую, менее нагретую, через разделяющую их твердую стенку. Например, теплопередача от воды к воздуху, между которыми расположена стенка. Твердая стенка может быть и многослойной. Например, при рассмотрении переноса теплоты от воды, движущейся по трубопроводу теплотрассы, к окружающему воздуху.

Теплоотдача также охватывает совокупность явлений переноса теплоты только между поверхностью твердого тела и жидкой или газообразной подвижной средой. В практике гидрологов и метеорологов часто встречаются задачи о теплообмене между двумя подвижными средами, исключая твердую стенку, — это случай теплоотдачи водной поверхностью в окружающую ее среду — воздух.

В широком понимании теплопередача и теплоотдача осуществляются теплопроводностью, конвекцией, лучистым теплообменом, при изменении агрегатного состояния вещества, биологических процессах в живых организмах и др. Способы передачи тепла (теплоперенос или теплопередача) в твердом теле и в жидкости различны.

Перенос теплоты вследствие теплопроводности подчиняется закону Фурье. Рассматриваемая форма переноса теплоты в основном присуща твердым телам, в которых теплота распространяется передачей кинетической энергии от одних микрочастиц к другим путем соударений; перемещение самих частиц в твердом теле, естественно, исключено. Теплопроводность имеет место также в жидкостях и газах (воздухе). Но в последних теплота передается также путем перемещения частиц, носителей тепловой энергии. Такой способ называется конвективным теплопереносом. Заметим, что в первом случае теплота передается, а носители теплоты, частицы жидкости, остаются на месте, в то время как во втором случае теплота переносится вместе с жидкостью. Таким образом, в жидких и газообразных средах теплопроводность проявляется в чистом виде лишь в том случае, когда наблюдается прямая стратификация плотности. Для воды такому состоянию плотности соответствует повышение температуры с высотой при ее значении более 4°С и понижение с высотой — при ее температуре менее 4°С.

Перенос теплоты конвекцией происходит в результате перемещения частиц теплоносителя и наблюдается только в жидких и газообразных средах. В зависимости от причины, побуждающей частицы жидкости перемещаться, различают свободную и вынужденную конвекции.

Свободной (естественной, плотностной) конвекцией называется движение жидкости (газа), вызываемое неоднородностью плотности частиц жидкости (газа), находящихся в поле тяготения. Поэтому свободно конвективный перенос теплоты обусловлен перемещением частиц жидкости лишь в силу изменения их плотности, что, в свою очередь, обусловлено нагреванием или охлаждением ее или изменением концентрации (солености). Например, если воду в сосуде, находящуюся при температуре выше 4°С, охлаждать сверху, то в воде возникнет свободная конвекция, т. е. активный перенос частиц воды снизу вверх. Одновременно будет происходить перенос более охлажденных частиц в обратном направлении. В этом случае наблюдается нестационарная свободная конвекция. Увеличение плотности поверхностных слоев водоема может произойти также за счет увеличения мутности, обусловленной притоками, или осолонения при испарении.

Вынужденной конвекцией называется движение жидкости (газа), вызываемое воздействием внешних сил (ветер, насос и т.д.), а также однородного поля массовых сил в жидкости (уклон и т.д.). Таким образом, перенос теплоты вынужденной конвекцией обусловлен турбулентным перемешиванием водных или воздушных масс потока, а также связан с переносом теплоносителя. При вынужденной конвекции осуществляется перенос тепла, связанный, например, с течением водных и воздушных потоков, с ветровым перемешиванием и ветровым течением водных масс суши. В отличие от свободной конвекции при вынужденной конвекции происходит полярный перенос водных масс, а не молекулярный, т. е. перенос больших объемов жидкости.

Таким образом, гидравлика жидкости (поле скоростей) при вынужденной конвекции мало зависит от температуры и поэтому может и должна определяться до начала теплового расчета; она является заданным условием решения тепловой задачи, в то время как гидравлика при свободной (естественной) конвекции прямо связана с тепловым режимом рассматриваемого водного объекта, и поэтому здесь вопросы гидравлики и термики должны рассматриваться совместно, что принципиально существенно усложняет задачу.

Часто имеет место одновременно вынужденная и свободная конвекция.

Третья форма передачи теплоты обусловлена лучистым (радиационным) теплообменом и совершается путем двойного превращения энергии: сперва из тепловой в электромагнитную в месте излучения, а затем, после того как она прошла весь путь в теплопрозрачной среде, обратно в тепловую в месте поглощения. Таким образом, эта форма передачи теплоты характеризуется тем, что часть энергии тела, определяемая температурой его поверхности, преобразуется в энергию теплового излучения и уже в таком виде передается в окружающее пространство. Встречая на своем пути другое тело, лучистая энергия частично отражается от его поверхности и частично поглощается им, т. е. проникает на некоторую его глубину, зависящую от прозрачности тела.

Скорости передачи теплоты указанными способами различны. Радиационным способом совершается практически мгновенная передача теплоты; так, в воздухе скорость передачи равна 300 000 км/с. При конвективном способе скорость передачи теплоты полностью зависит от скорости движения жидкости; так , например, в реке она может составлять 1-2 м/с.

Особая форма передачи теплоты имеет место в случае изменения агрегатного состояния вещества, например при кристаллизации воды и таянии льда, при конденсации водяного пара и испарении воды и т. д.

Биологические и химические процессы также сопровождаются тепловыми процессами. При кристаллизации и конденсации воды и биологических процессах происходит выделение теплоты, а при испарении воды, таянии льда — ее поглощение.

megaobuchalka.ru

При теплоотдаче (или конвективном теплообмене) тепло передается за счёт перемещения частиц теплоносителя. Движение частиц теплоносителя может происходить под действием внешнего перепада давлений (вынужденная конвекция) или за счёт разности плотностей частиц с разной температурой (свободная или естественная конвекция). Интенсивность переноса тепла определяется распределœением температур, свойствами теплоносителя, размерами, формой и ориентацией поверхности теплоотдачи. Процесс конвективного теплообмена описывается основным уравнением теплоотдачи:

Q=aFtÑt , (2.17)

где a – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м²×К).

Коэффициент теплоотдачи численно равен количеству тепла, передаваемому между теплоносителœем и стенкой площадью в один квадратный метр за одну секунду при температурном напоре в один градус. Численные значения коэффициента теплоотдачи колеблются в широких пределах от нескольких десятков кВт/(м²×К) до нескольких Вт/(м²×К). Большие значения относятся к воде и жидким металлам при вынужденной конвекции, малые – к газам при свободной конвекции.

Процесс нестационарной теплоотдачи описывается дифференциальным уравнением конвективного теплообмена Фурье-Кирхгофа. Это дифференциальное уравнение получается аналогично дифференциальному уравнению нестационарной теплопроводности. В статью прихода теплового баланса элементарного параллелœепипеда добавляется тепло, вносимое потоками теплоносителя, проходящими через грани параллелœепипеда:

dQ_К=dx dy dz dt rс[¶(w_хt)/¶z+¶(w_yt)/¶y+¶(w_zt)/¶z]= =dxdydzdtrс[t(¶w_x/¶z+¶w_y/¶y+¶w_z/¶z)+w_x¶t/¶z+w_y¶t/¶y+w_z¶t/¶z].

Сумма производных ¶w_x/¶z+¶w_y/¶y+¶w_z/¶z, согласно уравнению неразрывности потока (4.31), равна нулю.

Преобразования уравнения теплового баланса приводят к уравнению

, (2.18)

где w_x, w_y, w_z – скорости по осям координат, м/с.

Интегрирование дифференциального уравнения даже для простейших случаев связано со значительными трудностями, а для большинства практических задач невозможно. По этой причинœе для расчетов коэффициента теплоотдачи используются полуэмпирические критериальные уравнения, полученные методом подобных преобразований.

После зачеркивания знаков дифференцирования в уравнении (2.9), записанном для случая отсутствия внутренних источников тепла (q_v=0), получим t/t+wt/Lʼʼat/L². Приведем полученное выражение к безразмерному виду, разделив обе части выражения на at/L² :

tL²/a+wL/aʼʼ1. (2.19)

Первый член выражения (2.18) является критерием Фурье, который является безразмерным временем и используется в расчетах нестационарных тепловых процессов:

Fo=tL²/a. (2.20)

Второй член выражения (2.19) является критерием Пекле wL/a=Ре, который характеризует тепловые процессы. Обычно он используется в сочетании с критерием Рейнольдса.

Тепловые процессы описываются системой дифференциальных уравнений Фурье-Кирхгофа и Навье-Стокса, а также граничными условиями. Подобные преобразования уравнения Навье-Стокса (см. п.4.3) приводят к критериям гомохронности (Но), Эйлера (Eu), Рейнольдса (Re) и Фруда (Fr). Первые два критерия не оказывают влияния на тепловые процессы и используются при решении чисто гидравлических задач.

Граничным условием тепловых процессов является равенство тепловых потоков теплопроводности пограничного слоя теплоносителя и теплоотдачи q=aÑt=ldt/dx. После зачеркивания знаков дифференцирования и приведения к безразмерному виду, получим определяемый критерий тепловых задач – критерий Нуссельта

Nu=aL/l. (2.21)

Критерий Нуссельта характеризует теплообмен в пограничном слое.

Решением системы дифференциальных уравнений, описывающих тепловой процесс, является критериальное уравнение

Nu=f(Re,Fr,Pe,Fo). (2.22)

Использование критерия Пекле во многих случаях неудобно, т.к. он включает в себя скорость потока. Вместо него используется отношение критериев Пекле и Рейнольдса, получившего название критерия Прандтля

Pr=Pe/Re=n/a, (2.23)

который отражает влияние теплофизических свойств теплоносителя на теплоотдачу.

При свободной конвекции режим движения теплоносителя определять по значениям числа Рейнольдса невозможно, т.к. скорость движения определять сложно. По этой причинœе для отражения влияния на тепловой процесс режима свободного движения теплоносителя используется критерий Аpхимеда Ar=gL³Ñr/(rv²), в котором отношение разности плотностей среды и частицы к плотности среды Ñr/r заменено произведением температурного напора на коэффициент термического расширения теплоносителя bÑt . Такой модифицированный критерий Аpхимеда принято называть критерием Грасгофа и характеризует режим движения теплоносителя при свободной конвекции:

Cr=gL³bÑt/v². (2.24)

Общее для всœех тепловых процессов критериальное уравнение, с введением параметрических критериев Г₁ и Г₂, будет иметь вид

Nu=f(Re,Сr,Pr,Fo,Г₁,Г₂). (2.25)

Для отдельных случаев теплообмена уравнение (2.25) упрощается. При стационарном ходе процесса опускается критерий Фурье. При отсутствии вынужденного движения теплоносителя из уравнения исключается критерий Рейнольдса. Так как температура пограничного слоя отличается от температуры ядра потока, следовательно, и физические свойства также будут отличаться от соответствующих параметров основного потока. Так, при нагревании вязкость пограничного слоя будет ниже, чем у основного потока. В результате чего скорость пограничного слоя окажется больше той, которая бы наблюдалась у изотермического потока. По этой причинœе коэффициент теплоотдачи при нагревании жидкостей будет больше, чем при их охлаждении. Кроме изменения вязкости в пограничном слое изменяются и другие физические константы. Учёт влияния этого фактора проводится введением в критериальное уравнение отношения Pr/Pr_ст, в котором критерий Pr выбирается при средней температуре теплоносителя, а Pr_ст – для теплоносителя при средней температуре стенки. Для газов изменения вязкости компенсируются изменениями теплоемкости, теплопроводности и плотности, и в связи с этим критерий Прандтля мало зависит от температуры, а отношение Pr/Pr_стʼʼ1.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, для свободной конвекции критериальное уравнение имеет вид

Nu=C(Pr Cr)ⁿ(Pr/Pr_ст)^0,25, (2.26)

где Pr_ст=n/a – критерий Прандтля для теплоносителя в пограничном слое (определяется при средней температуре стенки); С, n, k – эмпирические константы, зависящие от вида поверхности и режима теплоотдачи.

Режим свободной конвекции определяется по значениям произведения критериев Прандтля и Грасгофа.

На рисунке 2.4 приведена схема естественных токов теплоносителя у вертикальной горячей стенки. Пограничный ламинарный слой теплоносителя начинает формироваться у нижней кромки стенки. По мере подъема его толщина, за счёт вовлечения в движение новых порций теплоносителя, увеличивается (зона I). Одновременно растет и скорость движения.

При достаточно больших значениях скорости ламинарный поток распадается на два подслоя: ламинарный 1 и турбулентный 2. На некотором расстоянии идет стабилизация режима движения и поток движется в переходном режиме (зона II). В верхней части стенки режим движения потока турбулентный (зона III). При этом у стенки остается гидравлический пограничный слой, движущийся ламинарно. Распределœение температур по нормали к стенке в ламинарно движущемся теплоносителœе линœейное, в турбулентном потоке криволинœейное (см.рис.2.4,в).

В соответствии с изменением толщины и режима движения пограничного слоя изменяются локальные значения коэффициента теплоотдачи. В ламинарной зоне коэффициент теплоотдачи уменьшается, т.к. возрастает толщина пограничного слоя и, следовательно, увеличивается его термическое сопротивление. В переходной зоне, в связи с уменьшением толщины ламинарно движущегося потока, коэффициент теплоотдачи растет. В турбулентной зоне гидравлический пограничный слой стабилизирован и коэффициент теплоотдачи практически постоянен (см.рис.2.4,б). Средние значения коэффициента теплоотдачи для стенки определяются по критериальному уравнению (2.26).

В качестве определяющего размера в критериальных уравнениях используется размер поверхности по вертикали: для горизонтальных плит – размер меньшей стороны, горизонтальных стержней и труб – диаметр.
Размещено на реф.рфОпределяющей температурой является температура теплоносителя вдали от поверхности теплообмена. Значения критерия Pr_ст берутся для теплоносителя при температуре стенки. Для газов критерий Прандтля мало зависит от температуры, и отношение Pr/Pr_ст можно считать равным единице.

При теплоотдаче внутри замкнутых объёмов (узких щелях, плоских и кольцевых зазорах) при (Pr Cr)>1000 образуется серия циркуляционных токов. И в данном случае физические свойства выбираются при средних температурах стенок, в качестве определяющего размера используется толщина зазора и принимается Pr=Pr_ст.

Таблица 2.1

Значения эмпирических констант в формуле (2.26)

Случаи теплоотдачи	(Cr×Pr)	А	n
Вертикальные поверхности	103…109	0,76	0,25
То же	>109	0,15	0,33
Горизонтальные цилиндры. Сфера	103…108	0,50	0,25
Горизонтальные плиты (горячие, обращенные вверх, и холодные, обращенные вниз)	105…2×107	0,54	0,25
То же	2×102...3×1010	0,14	0,33
Горизонтальные плиты (горячие, обращенные вниз, и холодные, обращенные вверх)	105…2×107	0,27	0,25
То же	2×102...3×1010	0,07	0,33
Узкие щели	>1000	0,18	0,25

При (Pr Cr)<1000 в узких щелях свободное движение теплоносителя практически отсутствует и тепло передается теплопроводностью. В случае если горячая поверхность в горизонтальных щелях располагается сверху, то конвекция также отсутствует.

При вынужденной конвекции перенос тепла происходит за счёт движения теплоносителя, вызванного действием внешнего перепада давлений. Интенсивность переноса тепла определяется распределœением температур, режимом движения и свойствами теплоносителя, размерами, формой и ориентацией поверхности теплоотдачи. Численные значения коэффициента теплоотдачи при вынужденной конвекции колеблются в широких пределах от нескольких десятков кВт/(м²×К) до нескольких десятков Вт/(м²×К). Большие значения относятся к воде и жидким металлам, малые – к газам.

Рассмотрим некоторые частные случаи вынужденной конвекции.

При поперечном обтекании цилиндрических поверхностей (рис. 2.5,а) набегающий поток огибает поверхность цилиндра и создает на его поверхности гидравлический пограничный слой 1. Толщина этого слоя минимальна в лобовой части. По мере ухода от лобовой части она растет и достигает максимальных значений при j=95¼105°. В этом месте наблюдается срыв пограничного слоя, и в кормовой части возникает турбулентная зона 2, образующая кормовой след. Толщина гидравлического ламинарного пограничного слоя в кормовой части уменьшается. В соответствии с изменениями толщины гидравлического пограничного слоя изменяются и локальные значения коэффициента теплоотдачи (рис. 2.5,б). При ламинарном набегающем потоке коэффициент теплоотдачи ниже, чем в лобовой части, а при движении теплоносителя в турбулентном режиме соотношение между локальными значениями в лобовой и кормовой части меняется на противоположное. Средние значения коэффициента теплоотдачи определяются из критериального уравнения.

Nu=AReⁿPr^m(Pr/Pr_ст)^0,25e_je_n. (2.27)

При обтекании одиночных труб и их пучков в критериальные уравнения вводится поправочный коэффициент на угол атаки (угол между вектором скорости теплоносителя и осью труб) e_j. Для углов атаки j=90°, 70°, 50° и 30° поправочный коэффициент e_j равен 1,0, 0,98, 0,88 и 0,67, соответственно. При омывании труб и их пучков с углами атаки j<10° расчет ведут по уравнениям для каналов.

При переходе от предшествующего ряда труб пучка к последующему коэффициент теплоотдачи увеличивается. Начиная с третьего ряда это увеличение незначительно, в связи с этим по критериальным уравнениям находится коэффициент теплоотдачи для третьего и последующих рядов пучка. Поправочный коэффициент на число рядов определяется по формуле

e_n=[0,6n₁+an₂+(n-n₁-n₂)]/n, (2.28)

где n₁, n₂ и n – число труб в первом ряду, во втором и пучке в целом; а – константа͵ учитывающая тип пучка (для коридорных пучков а=0,9 и для шахматных а=0,7). Интенсивность теплоотдачи в шахматных пучках выше, чем в коридорных. В шахматных пучках трубы предшествующего ряда направляют поток на трубы последующего ряда, а в коридорном пучке трубы предшествующих рядов заслоняют последующие трубы и степень турбулизации потока теплоносителя снижается. Это обстоятельство учитывается константами критериальных уравнений.

Расчет коэффициента теплоотдачи при вынужденной конвекции проводится по критериальным уравнениям вида:

– для газов и жидкостей в трубах и каналах

Nu=AReⁿPr^mСr^k(Pr/Pr_ст)^0,25e₁e₂; (2.29)

– для жидких металлов в трубах и каналах

Nu=A+nPe^m ; (2.30)

– для аппаратов с мешалками

Nu=ARe_мⁿPr^m(m/m_ст)^k; (2.31)

– для пленочного течения жидкостей

Nu_пл=AReⁿ_плPr^m(d_пр/Н)^k; (2.32)

– между теплоносителœем и слоем зернистого материала

Nu_о=A(Re_о/e)ⁿPr^m; (2.33)

– между газом и жидкой пленкой, стекающей по насадке

Nu=ARe_оⁿRe ^m_жPr^k_ж , (2.34)

где e₁, e₂ – поправочные коэффициенты на учет факторов, не вошедших в дифференциальные уравнения (участок тепловой и гидравлической стабилизации, кривизна потока, расположение труб в трубной решетке и др.); А, k, n и m – эмпирические константы, зависящие от вида поверхности теплоотдачи и режима движения теплоносителя (табл.2.2); Nu_пл=ad_пр/l и Re_пл=4Г/m – модифицированные критерии Нуссельта и Рейнольдса для пленки; d_пр=(n²/g)^0,33 – приведенная толщина пленки; Н – высота стенки (трубы); Nu_о=ad_o/l и Re_о=w_od_o/n – модифицированные критерии Нуссельта и Рейнольдса для слоя зернистого материала; d_о и e – диаметр частиц и порозность слоя зернистого материала; Re_ж=4G/(am) – модифицированный критерий Рейнольдса для жидкости, орошающей насадку; а – удельная поверхность насадки; G – массовый расход жидкости.

Остановимся на механизме влияния факторов, не учтенных в дифференциальных уравнениях и учитываемых в критериальных уравнениях поправочными коэффициентами.

При движении теплоносителя в трубах и каналах вводится поправка на участок тепловой и гидравлической стабилизации e_L/d, на котором идет формирование теплового и гидравлического пограничных слоев. Этот участок находится между входным сечением канала и сечением, в котором отсутствуют частицы теплоносителя с температурой, равной его температуре на входе в канал. На этом участке толщина пограничных слоев растет, следовательно, термическое сопротивление теплоотдаче увеличивается и коэффициент теплоотдачи уменьшается. За пределами участка тепловой стабилизации коэффициент теплоотдачи практически не изменяется. Учёт влияния этой поправки проводят только для коротких труб и каналов, у которых отношение длины к эквивалентному диаметру меньше 50. При ламинарном режиме движения e_L/d=(L/d)^0,4. Для турбулентного режима движения величина поправочного коэффициента достигает 1,65, зависит от критерия Рейнольдса и отношения L/d и её значения приводятся в литературе [17].

В изогнутых трубах и каналах за счёт дополнительной турбулизации потока под действием центробежных сил наблюдается увеличение коэффициента теплоотдачи (по сравнению с течением по прямолинœейным траекториям). Это увеличение коэффициента теплоотдачи учитывается поправочным коэффициентом на кривизну трубы, определяемым по формуле

e_d/R=1+1,77d_э/R, (2.35)

где d_э и R – эквивалентный диаметр канала и его радиус кривизны.

Для вертикальных каналов иногда учитывается влияние направлений свободного и вынужденного движений теплоносителя. При совпадении их направлений рекомендуется увеличивать, а в случае противоположности направлений уменьшать коэффициент теплоотдачи на 5¼10%.

Таблица 2.2

Значения эмпирических коэффициентов в формулах (2.27) и (2.34)

Форма поверхности и потока	Границы применения	Формула	А	n	m	k
В трубах и каналах	Re<2320	2.29	0,15	0,33	0,43	0,1
Re=2320…104	0,008	0,9	0,43	—
Re>10000	0,021	0,8	0,43	—
Обтекание плиты	Re<105	0,66	0,5	0,33	—
Re>105	0,037	0,8	0,43	—
Обтекание трубы	Re=5…103	0,5	0,5	0,38	—
Re=103…2×105	0,25	0,6	0,38	—
Re=(2…20)×105	0,023	0,8	0,37	—
Обтекание пучка труб	Re<103	2.27	0,56	0,5	0,36	—
Коридорный пучок	Re>103	0,22	0,65	0,36
Шахматный пучок	Re>103	0,4	0,6	0,36
Жидкие металлы	Re=20…104	2.30	4,56	0,025	0,08
Аппараты с листовыми мешалками к стенке	2.31	0,36	0,67	0,43	0,14
То же к змеевику	0,87	0,62	0,43	0,14
То же с якорными мешалками (dм/D=0,94)	Re<40	0,003	0,9	0,68	0,7
Вертикальная стенка	Re<2320	2.32	0,67	0,11	0,33	0,33
Re>2320	0,01	0,33	0,33
Горизонтальный пучок труб с поперечным шагом S1/dн=1,7¼2		0,005	0,33	0,33
Слой зернистого материала	Reo/e<200	2.33	0,0035	1,5	0,33	—
Reo/e>200	0,4	0,67	0,33	—
Псевдоожиженный слой	Reo/e<200	0,016	1,3	0,33	—
Reo/e>200	0,4	0,4	0,33	—
Для воздушных скрубберов	2.34	0,01	0,7	0,7	0,33

Для определœения коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении теплоносителœей в каналах в переходном режиме (Re=2100¼10000) надежных формул нет. При проектных расчетах рекомендуется данный режим избегать, изменяя скорости теплоносителœей (или сечение аппаратов). В случае если же этого не удается, то можно воспользоваться критериальным уравнением (2.36), для которого в таблице 2.3 приведены значения постоянного сомножителя.

Nu=K_oPr^0,43(Pr/Pr_ст )^0,25, (2.36)

где К_о – функция от критерия Рейнольдса.

Таблица 2.3

Постоянный сомножитель К_о

referatwork.ru

Что нужно зноть о теплоотдаче

Мощность радиатора, тепловой потолок, тепловая мощность — все эти понятия идентичны тепловой отдаче, единицей измерения которой является Ватт. Иногда тепловой потолок также меряется в калориях. Данную величину можно трансформировать в пересчет на Ватты: 1 Вт равен примерно 860 калориям в час.

Тепловая передача производится в результате нескольких процессов:

• тепловой обмен;
• конвекция;
• излучение.

В батарее осуществляются все три способа передачи тепла, но их конкретные пропорции разнятся в зависимости от вида отопительного оборудования. К радиаторам могут относиться устройства, у которых не менее четверти тепла выделяется в виде прямого излучения. Однако нужно заменить, что на сегодняшний день границы этого требования несколько стерлись, поскольку радиаторами стали называть и конвекторные устройства.

Расчет нужной тепловой отдачи

Выбор батарей должен базироваться на максимально корректных вычислениях необходимой мощности. С одной стороны — лишние секции ни к чему, но с другой — недостаток мощности приведет к невозможности добиться желанной температуры.

На эффективность отопления влияют особенности помещения. Среди них:

• площадь комнаты;
• высота потолка;
• местонахождение помещения (на углу или нет);
• этаж;
• количество внешних стен и окон;
• характеристики установленных окон;
• наличие утеплителя на внешних стенах;
• присутствие в помещении дополнительных источников тепла;
• наличие чердачного помещения и качество его утепления.

Существует несколько методик подсчета нужно мощности системы отопления. Самый простой способ строится на учете количества окон и стен, граничащих с улицей. Подсчет делается таким образом:

• в стандартной ситуации (одно окно, одна внешняя стенка) понадобится 1 кВт тепловой мощности на каждые 10 квадратных метров помещения;
• если в помещении два окна или две наружные стенки, применяется поправочный коэффициент — 1,3 (иными словами, на каждые 10 квадратных метров необходимо 1,3 кВт тепловой мощности).

Следующий способ чуть сложнее, но он позволяет получить более точные показатели необходимой мощности, так как одним из используемых параметров являются высота помещения.

Для вычисления используется формула:

Мощность = площадь помещения x высота комнаты x 41 (согласно нормативам — минимальная мощность на кубометр помещения).

Полученный результат — требуемая тепловая мощность. Чтобы определить количество нужных секций, делим этот результат на тепловую отдачу одной секции (указано в техпаспорте батареи).

Совет! В результате вычислений может получиться дробное число. В этом случае число нужно округлить в большую сторону.

Теплоотдача и материал батареи

С точки зрения конструкционных материалов существует четыре основных вида радиаторов: чугунные, стальные, алюминиевые и биметаллические. В каждом случае теплоотдача отличается.

Чугунные батареи

Такие радиаторы характеризуются незначительной поверхностью тепловой отдачи, а также невысокой теплопроводностью. Теплоотдача чугунных радиаторов осуществляется, прежде всего, излучением и лишь пятая ее часть выпадает на конвекцию.

Каждая секция чугунной батареи имеет номинальную мощность в 180 Вт. Хотя такие показатели достигаются только в условиях лабораторных испытаний. Если же речь о системах центрального отопления, теплоноситель лишь изредка разогревается выше 80 градусов, причем часть тепловой энергии теряется еще на пути следования к радиатору. В результате, реальная теплоотдача фиксируется на уровне 50-60 Вт.

Стальные батареи

Радиаторы из стали состоят из одной или нескольких панелей, между которыми имеются так называемые ребра, выступающие в качестве конвектора. Тепловая отдача стальных устройств лишь немного выше, чему у чугунных. Поэтому их основным достоинством является невысокий вес и более эстетичный дизайн.

Если температура теплоносителя снижается, тепловая отдача стальной батареи резко падает. В связи с этим реальные характеристики радиатора могут сильно отличаться от указанных компанией-производителем.

Алюминиевые батареи

У теплоотдачи алюминиевых радиаторов более высокие показатели по сравнению со стальными и чугунными устройствами (до 200 Вт на каждую секцию). Однако имеется ограничитель использования алюминия в отопительной системе — склонность к коррозии. Алюминий очень чувствителен к качеству теплоносителя, поэтому устанавливать такие радиаторы лучше в частных домах.

Биметаллические батареи

По эффективности тепловой отдачи этот тип радиаторов не хуже алюминиевых. В некоторых случаях она превышает 200 Вт. При этом биметаллические устройства не столь чувствительны к качеству теплоносителя. Недостаток этих приборов — высокая стоимость.

Зависимость тепловой отдачи от типа подключения

Характеристика батареи зависят не только от температурного режима теплоносителя и конструкционного материала, но и от типа подключения устройства к отопительной системе:

• прямое одностороннее подключение — наиболее эффективный, эталонный тип подключения;
• диагональное подключение — используется для снижения потерь тепла, если в батарее более 12 секций;
• нижнее подключение, при котором теряется до 10% энергии — применяется для соединения с отопительной системой в стяжке пола;
• однотрубное подключение — самое невыгодное, потери тепла колеблются в рамках 30-45%.

Варианты повышения теплоотдачи

Существует несколько способов для повышения тепловой отдачи:

1. Радиатор должен быть чистым, поэтому нуждается в систематической влажной уборке.
2. Слишком толстый слой краски на чугунной батарее нарушает теплообмен. Поэтому при окрашивании нужно применять особые краски с пониженным сопротивлением теплопередаче.
3. Прежде чем наносить краску на бывшую в употреблении батарею, нужно тщательно удалить старую краску. Для покраски лучше применять темную эмаль, наносимую в два слоя. Темные цвета позволяют увеличить мощность обогрева приблизительно на 10%. Светлые же поверхности обычно выглядят эффектнее, но не так эффективны для целей обогрева.

1. Батарея должна быть корректно установлена: без наклона, на правильном расстоянии от стенки и пола.
2. Радиатор не должен прикрываться декоративными решетками или шторами.
3. Во внутренней части устройства не должно быть засоров, мешающих циркуляции теплоносителя.
4. Повышают теплоотдачу экраны с фольгой, которые можно установить на стенку за батареей.
5. Причиной снижения температуры могут быть слишком закрученные вентили. Причем попытки их провернуть могут не увенчаться успехом из-за возникших на резьбе образований. В этом случае нужно позвать сантехника.
6. Если во время отопительного сезона выяснилось, что какой-то сегмент радиатора холодный, речь идет о нарушении движения теплоносителя из-за накопления посторонних образований внизу устройства. Избавиться от проблемы может аккуратное постукивание по прибору. Также можно включить рядом электрическую плиту или электрообогреватель. При нагревании воды в батарее, инициируется вихревое движение, которое может сдвинуть с места отложения ржавчины или мусора.
7. Температура может понизиться также из-за ремонтных работ у соседей, если они сделали стояк более узким при монтаже «теплых полов» или стали отапливать дополнительные помещения, что снизило напор в системе.

Итак, факторы хорошей теплоотдачи радиаторов: модель и материал устройства, тип подключения, правильный расчет количества секций, учет особенностей помещения, соблюдения правил эксплуатации оборудования. Чтобы добиться максимальной теплоотдачи, необходимо учесть все указанные параметры. Наградой за это будет тепло и комфорт в помещении.

klivent.biz

7.1.1.Основной закон теплоотдачи

Понятие конвективного теплообмена охватывает процесс переноса теплоты конвекцией между твердыми поверхностями и омывающими их теплоносителями. Теплоносителем, как правило, является либо жидкость, либо газ. Однако в качестве теплоносителей могут использоваться двух- или трехфазные системы: газ – жидкость; газ – твердые частицы; газ – жидкость – твердые частицы.

В теплоносителе с неоднородным полем температур при вынужденном или естественном перемещении макроскопических элементов наряду с конвекцией происходит процесс переноса тепла теплопроводностью.

Совместный процесс конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен протекает как внутри теплоносителя, так и на границах его соприкосновения с поверхностями обтекаемых тел.

Конвективный теплообмен между теплоносителем и поверхностью обтекаемого им тела называют теплоотдачей.

Обычно в инженерной практике исследуют теплоотдачу, конвективный же теплообмен внутри теплоносителя при этом не рассматривается.

Тепловой поток при теплоотдаче всегда направлен в сторону меньшей температуры. В процессе теплоотдачи плотность теплового потока, согласно закону Ньютона, прямо пропорциональна температурному напору между теплоносителем и поверхностью теплообмена, т.е.

(7.1)

где α – коэффициент пропорциональности, называемый к о э ф ф и ц и е н-

т о м т е п л о о т д а ч и;

∆Т – температурный напор.

При T_m >T_cm это ∆T = T_m — T_cm ; если T_{c m}> T_m, то ∆T = T_cm — T_m .

Здесь индексом m обозначена температура теплоносителя, индексом cm

– температура поверхности теплообмена (стенки).

Для произвольной поверхности при T_m > T_cm закон Ньютона запишется в виде:

. (7.2)

Значения F, T_m и T_cm в уравнении (6.2) не отражают условий теплообмена, влияющих на величину . Здесь α не является физической постоянной, присущей данному теплоносителю, а зависит от множества факторов, формирующих картину течения около стенки. По этой причине простота уравнения (7.1) представляется кажущейся, и особенности его использования заключаются в сложности определения коэффициента теплоотдачи.

 

7.1.2. Факторы, влияющие на коэффициент теплоотдачи.

Величина коэффициента теплоотдачи характеризует интенсивность конвективного теплообмена на границе “теплоноситель-стенка”.

Численно коэффициент теплоотдачи равен тепловому потоку, приходящемуся на единицу поверхности при температурном напоре, равный единице, т.е.

Отсюда же следует и единица α – Вт/(м² × К).

Коэффициент теплоотдачи имеет весьма широкий диапазон численных значений, табл. 7.1.

Таблица 7.1

Особенности теплоотдачи	.
Естественная конвекция газов	6…40
Вынужденное движение газов	12…120
Вынужденное движение пара в трубах	110…2200
Естественная конвекция воды	110…1100
Вынужденное движение воды	500…11000
Пузырьковое кипение воды	8500…18000
Конденсация водяного пара	4500…22000

 

На величину коэффициента теплоотдачи влияют, прежде всего, теплофизические свойства теплоносителя, его фазовое состояние, вид движения (естественное или вынужденное) и режим течения теплоносителя. Различают ламинарный, переходный и турбулентный режимы течения.

При ламинарном (слоистом) режиме макрочастицы жидкости движутся, не перемешиваясь, параллельно омываемым стенкам и траекториям других частиц. В силу внутреннего трения скорость теплоносителя переменна по сечению нормальному к поверхности. Так, для канала круглого сечения эпюра скорости имеет параболическую форму, рис.7.1, а Перенос тепла при ламинарном режиме движения происходит в осноном за счет теплопроводности теплоносителя и естественной конвекции.

При турбулентном режиме макрочастицы перемещаются по сложным траекториям, не совпадающим с общим направлением потока. Их движение неупорядоченное, хаотичное. Эпюра скорости имеет вид усеченной параболы, (см. рис. 7.1, б). Теплоотдача при турбулентном режиме течения теплоносителя отличается несравненно большей интенсивностью, чем при ламинарном режиме

Рис. 7.1

Как при ламинарном, так и при турбулентном режимах движения скорость теплоносителя непосредственно на стенке равна нулю, а с увели -чением расстояния по нормали от стенки она возрастает.

Слой теплоносителя около поверхности тела, где скорость изменяется от нуля до величины, примерно равной 0,9 скорости невозмущенного потока, называют г и д р о д и н а м и ч е с к и м пограничным слоем и обозначают буквой δ_{д ,} рис.7.2.

 

а б в

Рис. 7.2

Кроме того, необходимо отметить, что в турбулентном пограничном слое непосредственно у стенки имеется очень тонкий слой жидкости, движение в котором имеет ламинарный характер. Этот слой называют вязким, или л а м и н а р н ы м п о д с л о е м и обозначают δ_л (см. рис. 7.2, б).

Если температуры стенки и теплоносителя не одинаковы, то вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой δ_т (см. рис.7.2, в). В нем температура изменяется от T_cm до ≈ T_m , т.е. все изменение температуры происходит в сравнительно тонком слое, непосредственно прилегающем к поверхности теплоотдачи. Значения толщин δ_д и δ_т в общем случае не равны, соотношение между ними зависит от рода жидкости. Однако изменения в δ_д приводят к изменениям δ_т. С увеличением скорости теплоносителя значения толщин δ_д , δ_т и δ_л уменьшаются.

При вынужденной конвекции режим течения оценивают по безразмерному комплексу, называемому критерием Рейнольдса. Для цилиндрического канала критерий Рейнольдса имеет вид:

где c — скорость течения теплоносителя,;

d — диаметр канала,;

ν — коэффициент кинематической вязкости,.

Течение теплоносителя в трубах принято считать ламинарным до

Re < 2300. В диапазоне 2300 > Re < 10000 наблюдается переходный режим течения (от ламинарного к турбулентному). При Re > 10000 течение турбулентное.

Для того, чтобы качественно оценить влияние режима течения теплоносителя на коэффициент теплоотдачи, запишем уравнение теплоотдачи в дифференциальной форме.

Для слоя теплоносителя непосредственно на поверхности теплообмена по закону Фурье следует:

где n – нормаль к поверхности тела,.

С другой стороны, согласно закону Ньютона,

Приравнивая правые части этих уравнений, получим:

(7.3)

Уравнение (7.3) выражает условия теплоотдачи на границе “твердая стенка – теплоноситель”.

Чем больше скорость движения теплоносителя, тем меньше толщина пограничного слоя, тем больше градиент температуры и, следовательно, больше коэффициент теплоотдачи. Через толщину пограничного слоя на влияют форма и размер поверхности теплообмена.

Величина коэффициента теплоотдачи зависит от физических свойств теплоносителя.С увеличением плотностиρ, теплопроводности λ, теплоем-кости c_pи уменьшением вязкости ν коэффициент теплоотдачи возрастает.

Влияние температур T_m и T_cm на сказывается через их воздействие на физические свойства теплоносителя.

Таким образом, в самом общем виде коэффициент теплоотдачи является функцией многих факторов:

α = f(X, Ф, l, c, ν, ρ, λ, c_p, T_m, T_cm, …), (7.4)

где X – характер движения теплоносителя;

Ф – форма поверхности теплообмена;

l – характерный геометрический размер;

c – скорость движения теплоносителя.

Для определения коэффициента теплоотдачи в зависимости от поста-

новки задачи могут использоваться следующие методы: экспериментальный,

аналитический и метод теплового подобия.

Чисто экспериментальный метод определения коэффициента теплоотдачи весьма прост и достоверен, так как требует опытного измерения

только трех величин: , T_m и T_cm. Отсюда

.

Этот метод широко используется при исследовании влияния различных факторов на интенсивность теплоотдачи в функционирующих теплообменных установках. Однако экспериментальный метод имеет существенный недостаток, состоящий в том, что полученное значение α не может быть рекомендовано для использования при расчетах устройства, характеристики которого хотя бы незначительно отличаются от характеристик опытной установки.

Аналитические методы основаны на теории пограничного слоя. Сущность этих методов состоит в составлении замкнутой системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс конвективного теплообмена в движущемся теплоносителе и последующем решении этой системы. Дифференциальные уравнения, описывающие конвективный теплообмен, устанавливают самую общую связь между величинами, характерными для этого процесса. Следовательно, эти дифференциальные уравнения являются математической моделью целого класса процессов теплообмена. Для получения частного решения эти уравнения дополняются условиями однозначности.

В большинстве случаев, из-за сложности математического описания профиля скорости в пограничном слое, решения, удовлетворяющие дифференциальным уравнениям и условиям однозначности, весьма трудоемки.

Следовательно, если недостатком экспериментального метода определения α является невозможность распространения результатов опытов на другие условия теплообмена, отличающиеся от изученного, то недостатком аналитического метода является невозможность перейти от класса явлений конвективного теплообмена, характеризующегося дифференциальными уравнениями, к единичному, конкретному явлению. Каждый из этих методов в отдельности не может быть эффективно использован для решения практических задач.

В настоящее время для определения коэффициента теплоотдачи в основном используется метод теплового подобия, который объединяет в себе положительные стороны экспериментального и аналитического методов.

 

 

helpiks.org

Теплоотдача – это теплообмен между поверхностью твёрдого тела и соприкасающейся с ней средой – теплоносителем (жидкостью, газом). Теплоотдача осуществляется конвекцией, теплопроводностью, лучистым теплообменом.

Конвекция – перенос теплоты в газах, жидкостях или сыпучих средах потоками вещества. Естественная (свободная) конвекция возникает в поле силы тяжести (гравитационном поле) при нагреве снизу текучих или сыпучих веществ. Нагретое вещество (как более лёгкое) по закону Архимеда перемещается относительно менее нагретого вещества в направлении, противоположном направлению силы тяжести.

Теплопроводность – это перенос энергии, осуществляемый в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией. Теплопроводность (или коэффициент теплопроводности) — λ связывает между собой плотность теплового потока (P -мощность, S – площадь изотермической поверхности, перпендикулярной направлению потока) и градиент температуры в направлении, обратном направлению потока —gradT:

.

Лучистый теплообмен – перенос энергии от одного тела к другому, обусловленный процессами испускания, распространения, рассеяния и поглощения электромагнитного излучения. Существенное отличие лучистого теплообмена от конвекции и теплопроводности заключается в том, что он может протекать и в пустоте.

Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплообмена λ_ТО, определяемым как количество теплоты, переданное в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью и средой-теплоносителем в 1К:

.

Коэффициент теплообмена зависит от условий теплообмена и при неизменности последних – постоянен. Поэтому чем больше разность температур между нагретым телом и средой-теплоносителем, тем большая тепловая мощность отводится.

При нагреве тела электрическим током его температура возрастает, и выделяемая мощность в виде тепла начинает передаваться в окружающую среду. В естественном режиме (при постоянстве λ_ТО) нагрев тела электрическим током происходит до такой температуры, постоянно выделяемая электрическая мощность не сравнится с отводимой тепловой мощностью, которая растёт при повышении температуры тела.

4.5. Теплоёмкость

В общем случае теплоёмкость — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус (1⁰С или 1⁰К); точнее – отношение количества теплоты (энергии), поглощаемой телом при бесконечно малом изменении его температуры к этому изменению (дифференциальная форма).

На практике теплоёмкостью материала обычно называют его удельную теплоёмкость.

Удельная теплоемкость – это количество энергии (теплоты), необходимое для повышения температуры единицы массы на 1 К. Теплоёмкость обозначается маленькой латинской буквой с.

где m – масса в кг или молях; W – поглощаемая энергия, Дж; T — температура, К.

Размерность удельной теплоемкости –

.

Теплоёмкость твердых веществ имеет один порядок. У металлов и сплавов её значения в основном лежат в пределах (200…1000) Дж/кг∙К, а у неметаллических технических материалов – (500…2000) Дж/кг∙К.

studopedia.org

Теплоотдача радиатора: что означает данный показатель

Означает термин теплоотдача количество тепла, которое батарея отопления передает в помещение в течение определенного периода времени. Для данного показателя существует несколько синонимов: тепловой поток; тепловая мощность, мощность прибора. Измеряется теплоотдача радиаторов отопления в Ваттах (Вт). Иногда в технической литературе можно встретить определение этого показателя в калориях в час, при этом 1 Вт =859,8 кал/ч. 

Осуществляется теплопередача от батарей отопления благодаря трем процессам: 

• теплообмену;
• конвекции;
• излучению (радиации). 

Каждым прибором отопления используются все три варианта переноса тепла, но их соотношение у разных моделей отличается. Радиаторами ранее было принято называть устройства, у которых не меньше 25 % тепловой энергии отдается в результате прямого излучения, но сейчас значение данного термина существенно расширилось. Теперь нередко так называют приборы конвекторного типа.  

Порядок расчета теплоотдачи радиатора отопления

В основе выбора отопительных устройств для установки в доме или квартире лежит максимально точный расчет теплоотдачи радиаторов отопления. Каждому потребителю с одной стороны хочется сэкономить на обогреве жилья и поэтому нет желания приобретать лишние батареи, но если их будет недостаточно, комфортной температуры достичь не удастся. 
 
Способов, как рассчитать теплоотдачу радиатора, существует несколько. 

Вариант первый. Это самый простой способ, как рассчитать батареи отопления, в его основе – количество наружных стен и окон в них.

Порядок вычислений следующий: 

• когда в комнате всего одна стена и окно, тогда на каждые 10 «квадратов» площади требуется 1 кВт тепловой мощности приборов отопления (детальнее: «Как рассчитать мощность радиатора отопления — делаем расчет мощности правильно»);
• если имеется 2 наружные стены, тогда минимальная мощность батарей должна составлять 1,3 кВт на 10 м². 

Вариант второй. Он более сложен, но позволяет иметь более точные данные о необходимой мощности приборов.

В данном случае расчет теплоотдачи радиатора (батарей) отопления производится по формуле: 

S x h x41, где 
S — площадь помещения, для которого выполняются вычисления; 
H — высота комнаты;
41 – минимальная мощность на один кубометр объема помещения. 

Полученный итог будет требуемой теплоотдачей для радиаторов отопления. Далее эту цифру делят на номинальную тепловую мощность, которую имеет одна секция данной модели батареи. Узнать эту цифру можно в инструкции, прилагаемой производителем к своему изделию. Результатом расчета батарей отопления станет необходимое количество секций, чтобы теплоснабжение конкретного помещения было эффективным. Если полученное число дробное, тогда его округляют в большую сторону. Лучше небольшой избыток тепла, чем его недостаток. 

Теплоотдача батарей из разных материалов

Выбирая радиатор отопления, следует помнить, что они отличаются по уровню теплоотдачи. Покупке батарей для дома или квартиры должно предшествовать внимательное изучение характеристик каждой из моделей. Нередко сходные по форме и габаритам приборы обладают разной теплоотдачей. 

Чугунные радиаторы. Эти изделия имеют небольшую поверхность теплоотдачи и отличаются незначительной теплопроводностью материала изготовления. Номинальная мощность у секции чугунного радиатора, такого как МС-140, при температуре теплоносителя, равного 90°С, составляет примерно 180 Вт, но данные цифры получены в лабораторных условиях (детальнее: «Какая тепловая мощность чугунных радиаторов отопления»). В основном теплоотдача осуществляется за счет излучения, а на долю конвекции приходится всего лишь 20%. 

В централизованных системах теплоснабжения температура теплоносителя обычно не превышает 80 градусов, а кроме этого часть тепла расходуется при продвижении горячей воды к батарее. В результате температура на поверхности чугунного радиатора составляет около 60°С, а теплоотдача каждой секции равна не более 50-60 Вт.

 
Стальные радиаторы. В них сочетаются положительные характеристики секционных и конвекционных приборов. Состоят они, как видно на фото, из одной или нескольких панелей, у которых внутри перемещается теплоноситель. Чтобы теплоотдача стальных панельных радиаторов была больше, с целью повышения мощности к панелям приваривают специальные ребра, функционирующие как конвектор. 

К сожалению, теплоотдача стальных радиаторов не сильно отличается от теплоотдачи чугунных радиаторов отопления. Поэтому их преимущество заключается только в относительно небольшом весе и более привлекательном внешнем виде. 

Потребителям следует знать, что теплоотдача стальных радиаторов отопления значительно уменьшается в случае снижения температуры теплоносителя. По этой причине, если в системе теплоснабжения будет циркулировать вода, подогретая до 60-70°С, показатели этого параметра могут сильно отличаться от данных, предоставляемых на эту модель производителем. 

Алюминиевые радиаторы. Их теплоотдача намного выше, чем у стальных и чугунных изделий. Одна секция обладает тепловой мощностью, равной до 200 Вт, но у данных батарей имеется особенность, ограничивающая их применение. Она заключается в качестве теплоносителя. Дело в том, что при использовании загрязненной воды изнутри поверхность алюминиевого радиатора подвергается коррозийным процессам. 
Поэтому, даже при отличных показателях мощности, батареи из этого материала следует устанавливать в частных домовладениях, где используется индивидуальная отопительная система. 

Биметаллические радиаторы. Данная продукция по показателю теплоотдачи ни в чем не уступает алюминиевым приборам. Тепловой поток у биметаллических изделий в среднем равен 200 Вт, но к качеству теплоносителя они не настолько требовательны. Правда их высокая цена не позволяет многим потребителям установить эти устройства. 

Зависимость степени теплоотдачи от способа подключения

На теплоотдачу отопительных радиаторов влияет не только материал изготовления и температура теплоносителя, циркулирующего по трубам, но и выбранный вариант подсоединения прибора к системе:

1. Подключение прямое односторонне. Является наиболее выгодным относительно показателя тепловой мощности. По этой причине расчет теплоотдачи радиатора отопления выполняют именно при прямом подключении. 
2. Диагональное подключение. Его применяют, если к системе планируется подсоединить радиатор, в котором количество секций превысит 12. Такой способ позволяет максимально понизить теплопотери. 
3. Нижнее подключение. Его используют в том случае, когда батарею присоединяют к стяжке пола, в которой скрыта отопительная система. Как показывает расчет теплоотдачи радиатора, при таком подключении потери тепловой энергии не превышают 10%. 
4. Однотрубное подключение. Наименее выгодный способ с точки зрения тепловой мощности. Потери теплоотдачи при однотрубном подключении чаще всего достигают 25 — 45%.

teplospec.com