Конвекция кезіндегі жылуберу

Сұйықтың барлық массасының қозғалысы қаншалықты қарқынды араласса, конвекция арқылы жылу алмасу соншалықты қарқынды өтеді. Сонымен, конвекция сұйық қозғалысының гидродинамикалықшартына көп байланысты болады.Ағынның ядросына жылу алмасуы жылу өткізгіштік және конвекция мен өткізіледі. Жылудың мұндай бірлесіп алмасуын конвекциялы жылу алмасу деп атайды. Ортаның турбуленттіқозғалысында ағын ядросындағы жылу алмасуы механизмі турбуленттік толқысулық салдарынан болатын араласудың қарқындылығымен сипатталады. Турбулентті толқысулық ядродағы температулардың мәнінің кейбір орташа t–ге дейін теңесуін қамтамасыз етеді. Сондықтан ядродағы жылу алмасу ең алдымен тасымалдағыштың қозғалыс сипатымен анықталады. Қабырғаға жақындаған сайын жылу берудің қарқындылығы төмендейді. Қабырға жанында қалыңдығы d-ға тең жылулы шекаралық қабат т.б. Бұл қабат гидродинамикалық шекаралық қабатқа ұқсас болады, бірақ олардың қалыңдығы әртүрлі.

Конвекция жылу алмасу механизмнің өте күрделілігіне байланысты жылу берудіесептеқиын.Қабырғадансұйыққа ( немесе сұйықтан қабырғаға) берілген жылу шамасын дәл есептеу үшін қабырға жанындағы температуралық градиентті және бет бойынша жылу тасымалдағыштың температуралық өзгеруін білу керек. Бұларды анықтау өте қиын. Сондықтан жылу берудің есептеуін жеңілдету үшін оның негізіне Ньютонның суыту заңын пайдаланады. Бұл заң бойынша: жылу алмасу бетінен сұйыққа (немесе керісінше сұйықтан қатты дене бетіне) берілген жылу мөлшері (dQ) қабырға бетіне (df) қабырға мен сұйықтың температураларының айырмасына (tқ-tс) және уақытқа (dt) тура пропорционал.Жылулы сәуле шығару.

Жылулы сәуле шығару барлық денелерге тен. Егер дененің бетіне Qс.ж мөлшерде сәулелі жылу түссе оның тек бір бөлігі ғана денемен сіңіріліп жылу энергиясына айналады да басқа бөлігі дене бетінен шығарылып қалған бөлігі дене арқылы өтңп кетеді.

немесе

(1)теңдеудегі Qa/Qcж дененің сәулелі жылуды сіңіруі, Qr/Qсж шағылысу, Qd/Qсж өзінен өткізіп жіберу қабілеттерін сипаттайды.

A,R,D – олардың сан мәніне қарай денелер төмендегі түрлерге бөлінеді

- егер А=1 болса онда денеге түскен сәулелі жылудың барлығы сіңіледі мұндай дене – абсолют (мүлде) қарда деп аталады.

- егер R=1 болса, онда денеге түскен сәулелі жылудың барлығы шағылысады мұндай дене абсолют ақ деп аталады.

- егер D=1болса, онда денеге түскен сәулелі жылудың барлығы денеден өтіп кетеді. Мұндай дене абсолют мөлдір дене деп аталады.

Табиғатта абсолют қара, ақ және мөлдір денелер жоқ. A,R және D лардың арасындағы байланыстар дененің табиғатына беттің түріне және оның температурасына байланысты болады. Әдетте қатты дене және сұйықтар үшін D=0R+A=1 болады. Газдар негізінен мөлдір денелер қатарына жатады. Нақты жағдайда денелер бетіне түскен сәулелі энергияның бір бөлігі сіңіріледі, тағы бір бөлігі шағылысады, ол қалғаг бөлігі денеден өтіп кетеді. Мұндай денелер сұр денелер деп аталады .

Стефон –Больцман заңы.

Беті F дененің t уақытта шығарған сәулелі мөлшерін дененің сәуле шығару қабілеттілігі деп аталады.

Стефон-Больцман заңы бойынша: сұр дененің сәуле шығару қабілеттілігі оның абсолюттік температурасының төртінші дәрежесіне тура пропорционал болып келеді.

мұндағы С –сұр дененің сәуле шығарә коэффициенті деп аталады.

Жылудың әсерін азайту үшін құбардың, аппараттың термиялық кедергісін көбейту керек. Ол үшін құбырдың, аппараттың сыртына белгілі бір не бірнеше оқшауландыру материалын жауып, содан кейін оның сыртынан бояп, не сылақ жұмыстарын жүргізеді.

Жылуалмастырғыштарды есептеген кезде негізгі теңдеулері жылуберу теңдеулері болады.

4. Қорытынды:

Конвективті жылуалмасу – біркелкі жылытылмаған сұйық, газ тәрізді немесе су сымалы ортада жүретін жылу тасымалы процесі. Бұл процесс берілген ортаның қозғалысы және оның жылуөткізгіштігі арқасында жүргізіледі. Екі фазаның шекаралық бөлігінде жүретін конвективті жылуалмасу конвективті жылу беру деп аталады.

Конвективті жылуалмасу ортаның физикалық қасиеттерінен тәуелді және оның қозғалыс түрінен тәуелді.

Конвективті жылуалмасу табиғи (еркін) конвекция және еріксіз конвекция болып бөлінеді.

Табиғи конвекция - бірқалыпты қыздырылмаған, сондықтан да тығыздығы бойынша біркелкі емес ортаға тек ауырлық күші әсерімен жүреді.

Еріксіз конвекция деп егер ортаның қозғалысы сорап, желдеткіш, араластырғыш көмегімен жүретін процесті айтады.

Егер ортаның агрегаттық күйі бір түрден екінші түрге ауысса, онда осы кезде болатын конвективті жылуалмасу агрегаттық күйі өзгеретін конвективті жылуалмасу деп аталады. Конвективті жылуалмасу әртүрлі жылуалмастырғыштар да және жылукүштік қоңдырғыларда жүреді.

Сұйықтың еріксіз және еркін қозғалысы конвективті жылуалмасу

Орта температура, анықтаушы температура, эквивалентті (балама) диаметрі.

Жылу ағынын анықтайтын шамаларды анықтау үшін қолданылатын формулалардың барлығына, көптеген жағдайда арнаның (каналдың) қимасы бойынша, сонымен қатар қаналдың ұзын таралатын сұйық температурасының мәні кіреді. Сол себепті, техникалық есептеулерде сұйықтың температурасы деп ағынның орта температурасын алады.

Ұқсастық теориясы – бұл ұқсас құбылыстар туралы ғылым. «Ұқсастық» термині геометриядан алынған. Мысалы, геометриялық ұқсас фигуралар үшін сәйкес бұрыштары тең, ал ұқсас жақтары пропорционал екені белгілі.

 Ұқсастық теориясының негізгі жағдайын үш ұқсастық теоремасы түрінде формалайды.

Ұқсастықтың бірінші теоремасы бойынша ұқсас құбылыстардың бірдей ұқсастық критерийлері болады. Бұл теореманың дұрыстығы жоғарыда анықталған.

Ұқсастықтың екінші теоремасы бойынша, қандай да бір құбылысты сипаттайтын айнымалылар арасындағы кез–келген тәуелділік, осы айнымалылардан құралған ұқсастық критерийлерінің арасындағы тәуелділік мына түрде көрсетілуі мүмкін, яғни f(k₁,k₂, …k_n)=0. Мұндай тәуелділіктер критериалды теңдеулер деп аталады.

Табиғи конвекция кезіндегі жылу алмасу.Ұқсастық сандарын өңдеу кезінде үлкен сан – тәжірибесі қатты денеден сұйық немесе газ тәрізді ортада бос ағып өткендегі жылу беру коэффициентінің орташа мәнін анықтайтын тәуелділіктен алынады.

10³ < (Gr Pr)_орт < 10⁹ диапазон мәніндегі ламинарлы режимдегі оның қозғалысындағы кез келген ағысты орта мен беттің, жазықтық немесе вертикальды цилиндрлі дененің жылу алмасуы үшін:

Nu_cp=0,76(GrPr)_cр^0.25(Pr_cp/Pr_CT)^0.25. (3.31)

(GrPr)_орт>10⁹кезіндегітурбуленттірежимқозғалысыүшін:

Nu_cp = 0,15(GrPr)_cр^0.38 (Pr_cp/Pr_CT)^0.25. (3.32)

Мұндаөлшемінанықтаушыретіндежазықтықтың hбиіктігіалынады, ортапараметрініңфизикалықпараметріментаңдалып, анықтауыштемператураретіндеGr_ортменPr_ортмәндересептеліп, t_ортқабырғаданқашықортатемпературасыалынады.

Формуладағы (Pr_орт/Pr_қаб)^0,25параметріндежылуберубағыты (қаттыденеденортағанемесекері) жәнеортаменқабырғаарасындағытемпературалықауысуы (газүшінPr_орт/ Pr_орт=1)ескеріледі.

Ортаныңеркінқозғалысышартындағыкөлденеңқұбыр (стержень, прут, сым) жылуберукезіндегітәуелділіктүрі:

Nu_cp = 0,5(GrPr)_cр^0.25 (Pr_cp/Pr_CT)^0.25. (3.33)

Анықтауөлшемретіндемұндақұбырдиаметріdалынады.

Бекітілгенкөлемішіндегіжылуалмасуқабаттарысұйықнемесегазбентолтырылғандақабырғатемпературасыәртүрлімәндеортаныңциркуляциясытуындайды. Жылуалмасуқабаттарыеңжақсықызғанқабырғаданжылуберілуортаныңқасиетіне, температурасына, қабырғатемпературасыныңайырмашылығына, бекітілгенкөлемніңформасыменөлшеміне, соныменбіргесалқынжәнеыстыққабырғаныңөзараорналасуынатәуелді.

Қабаттардағыконвекциякезіндегіжылушегінанықтаудыңтәжірибелікесебіндебіртектітегісқабырғаарқылыжылуөткізгіштікпенжылуберудіөрнектейтінформулақолданылады:

, (3.34)

мұндағы – салқынжәнеыстыққабырғаныңтемпературасы, S_np– қабатқалыңдығы, _экв= _{к орт} –жылуөткізгіштікпенконвекцияжылутасымалынескеретінқабаттардыңжылуөткізгіштікэквибілікенті; _к- конвекцияәсерінбейнелейтінтүзетукоэффициенті:

e_K= f(GrPr)_cp. (3.35)

Ортаныңтемпературасы:

(3.36)

(GrPr)_ср<10³ _к =1 кезіндежылуберу тек жылуөткізгішпенжүреді:

10³<(GrPr)_cp<10⁶ кезінде Е_К = 0,105 (GrPr)_ср^0.3. (3.37)

10^e<(GrPr)cp<10¹⁰ кезіндеe_K = 0,4(GrPr)^o.2_cp (3.38)

БарлықмәндерүшінжуықтауGrPr>10³депқабылдауғаболады:

_к =0,18 (GrPr)_ср^0,25.

Формулаларкезкелгентегіс, көлденең, тік, сақина, сфералықжәнет.б. форма түріндегіқабаттарқолданылады.

ГрасгофсанынесептеукезіндеанықтауышөлшемретіндеқабатқалыңдығыS_npқабылданады.

Ұқсастықтың үшінші теориясының негізгі мақсаты, екі құбылыстың ұқсастығы үшін, қандай, қажетті және жеткілікті күйлердің болуы керектігінашып беруі. Бұл теорияны совет ғалымдары М.В.Кирпичев бен А.А. Гухман 1931 жылы жасаған.

5.Пайдаланылған әдебиеттер:

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: М.: Энергия, 1975.– 488 с.

2. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках: М.:Наука, 1982.–472 с.

3. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенцификацией теплоотдачи: М.: Энергоатомиздат, 1986.  –240 с.

4. Петровский Ю.В., Фастовский В.Г. Современные эффективные теплообменники: М.: Госэнергоиздат, 1982.– 256 с.

5. Смирнов Д.Н., Сидоров А.С. Монтаж и оборудование котельных установок: М.:Высш.шк., 1991.– 272 с.

6. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности:Л.: Машинострение, 1986.– 253 с.

7. Кусаиынов К. Гидродинамика, теплообмен и электрогидравлические явления при движении двухфазных сред в трубах: Караганда: Изд-во КарГУ 1998.– 114 с.