Конвективное охлаждение

10.4. Оценить влияние температуры воздуха на интенсивность конвективной теплоотдачи от него к стенке трубы.

где ак—коэффициент конвективной теплоотдачи; Т — температура поверхности твердого тела; Тс — температура среды (жидкости или газа).

Для описания свойств материала изделия используются параметры, необходимые для выполнения требуемого вида анализа. Так, в прочностном анализе учитываются модуль упругости (модуль Юнга), коэффициент теплового расширения при заданной температуре, коэффициент Пуассона, плотность, коэффициент трения, модуль сдвига, коэффициент внутреннего трения. Для проведения теплового анализа следует задать удельную теплоемкость, энтальпию, коэффициент теплопроводности, коэффициент конвективной теплоотдачи поверхности, степень черноты и т.д. Необходимые параметры материалов содержатся в соответствующих библиотеках. Свойства могут быть постоянными, нелинейными или зависеть от температуры. Списки существующих материалов в базе данных могут быть дополнены новыми материалами.

В тепловом расчете отдельных поверхностей учитываются: сочетание радиационной и конвективной теплоотдачи от продуктов сгорания, характер смывания ими труб, наличие на трубах внутренних и внешних отложений, теплофизические свойства и характеристики рабочего тела (теплопроводность, температуропроводность, вязкость, температура, давление), конструктивные особенности поверхностей нагрева (шахматное, коридорное расположение труб, их диаметр, оребрение и т. д.), наличие очистки от загрязнений.

ак — коэффициент конвективной теплоотдачи, вт/(мг-град);

ваемой поверхностью (температурный напор), град. Величину, обратную коэффициенту теплоотдачи 1/а, называют термическим сопротивлением. Коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от многих факторов и на практике значение его составляет от 2 (от свободно движущегося воздуха к плоскости) до 5000 вт/(м2-ерад) и более (от вынужденно движущейся воды в трубах к их поверхности). Оно зависит от скорости потока и характера движения, от формы и размера обтекаемого тела, от свойств и состояния среды.

Таким образом, коэффициент конвективной теплоотдачи можно определить из сравнения уравнений (12-5), (12-6) и (12-7):

Из формулы (12-8) видно, что коэффициент конвективной теплоотдачи а зависит от толщины пограничного слоя бт (определяемой характером движения теплоносителя, величиной скорости, приведенным диаметром канала и свойствами движущейся среды — коэффициентом кинематической вязкости v и коэффициентом теплопроводности Я,).

Коэффициент конвективной теплоотдачи а тем больше, чем больше коэффициент теплопроводности X и скорость потока w, чем меньше коэффициент динамической вязкости ц и больше плотность р, т. е. чем меньше коэффициент кинематической вязкости v=?=.(A/p и чем меньше приведенный диаметр канала d. В дальнейшем будет показано, что на величину а. влияют также теплоемкость жидкости с, температуры жидкости tOKp и стенки канала tc, а также другие факторы (форма поверхности Ф, размеры поверхности 1\, 1%, /з и др.). Таким образом:

Л'"=~Г Критерий Нус-сельта (критерий теплоотдачи) a — коэффициент конвективной теплоотдачи, вт/(м2-град); X — коэффициент теплопроводности жидкости (газа), вт/(м-град) Характеризует отношение между интенсивностью теплоотдачи и температурным полем в пограничном слое потока

Размерное уравнение (12-9) коэффициента конвективной теплоотдачи при вынужденном движении в трубах может быть, как будет показано ниже, приведено к безразмерному виду:

где @0 = tcm — t0 в °С — разность между температурами стенки и насыщенного пара; Fa — теплопередающая поверхность со стороны агента в м2. Теплоотдача при кипении улучшается при росте теплосъёма qp (ккал/м2 час), при усилении конвекции или циркуляции (в замкнутом контуре) и принудительном перемешивании кипящей жидкости. При малых тепловых нагрузках (конвективное охлаждение воздуха и воздухоохладители), при кипении на внешней поверхности горизонтальной трубы и внутри вертикальной трубы коэфициент теплоотдачи близок к наблюдаемому при естественной конвекции без кипения (см. т. 1, книга 1, „Теплопередача", стр. 496).

Конвективное охлаждение

Конвективное охлаждение 1-2.

Конвективное охлаждение состоит в том, что от обогреваемой горячим потоком стенки тепло передается охлаждающей жидкости или газу (рис. 1-1,6, в). Перепад температуры в стенке определяется при заданной ее толщине 8 выражением Twl — Tw2 = q08/K. Тепловой поток q0 в стационарных условиях определяется расходом охладителя т, его теплоемкостью с и перепадом температуры Tw2 — 7'0:

Конвективное охлаждение часто используется в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а также в стационарных высокотемпературных промышленных установках (плазмотронах и др.). Здесь применяются системы трубчатого охлаждения, состоящие из разветвленной сети каналов или труб, расположенных под нагреваемой поверхностью и находящихся в тесном контакте с ней. Через трубы непрерывно прокачивается жидкий или газообразный охладитель. Максимальное количество тепла, поглощенное такой системой, зависит от теплопроводности материала стенки, расхода и теплоемкости охладителя. В ЖРД применяется обычно система разомкнутого типа; использованное в качестве охладителя топливо поступает затем в камеру сгорания двигателя и там сгорает.

Пленочное охлаждение используется обычно как дополнительное средство защиты стенок камер сгорания и сопл жидкостных ракетных двигателей, когда конвективное охлаждение не обеспечивает необходимого снижения температуры стенок.

батически заторможенного потока Г0. Чем выше число Рг газа, тем ближе энтальпия восстановления 1Г к Г0, поскольку отвод тепла и конвективное охлаждение стенки газом уменьшаются при увеличении вязкости (больше толщина пограничного слоя) и теплоемкости (медленнее падает температура газа), а также при уменьшении теплопроводности газа. Анализ показывает, что за определяющую энтальпию при расчете теплообмена на боковых поверхностях должна браться не энтальпия торможения, а энтальпия восстановления. При /ю = /г тепловой поток в стенку равен нулю.

1-1. Поглощение и накопление тепла конденсированными веществами 11 1-2. Конвективное охлаждение 13 1-3. Массообменный принцип охлаждения14 1-4. Радиационное охлаждение 18 1-5. Электромагнитное регулирование теплообмена 22 1-6. Охлаждение тел за счет физико-химических превращений на их поверхности 23

На рис. 158, а и 158, б показан случай охлаждения нагретой коробки с материалом, например в камере охлаждения туннельной печи. На рис. 158, а коробка расположена несимметрично, и поэтому с правой стороны образуется значительное пространство для развития циркуляции, создается единый циркуляционный контур и интенсивное конвективное охлаждение правой • стенки коробки. С левой стороны конвективное охлаждение будет протекать плохо, так как поднимающийся и опускающийся потоки газообразной среды мешают друг другу вследствие малой ширины пространства между левой стенкой коробки и охлаждающими трубками. Следовательно, циркуляция с этой стороны будет происходить медленно, в виде нескольких мелких циркуляционных контуров, и потому конвективное охлаждение коробки с этой стороны будет малоэффективным.

Величина этого отношения зависит от схемы прокачки газа. Лазеры с продольной прокачкой газа (см. рис. 4.5, б) отличаются от диффузионных лишь наличием потока газа. Поэтому, если подставить в (4.21) характерные для диффузионных лазеров параметры Л ~ 1 см, Хг — -~1(Р4 см, /~1 м, то нетрудно видеть, что конвективное охлаждение сравнивается с диффузионным уже при .yr/as~ 10~2, т. е. при существенно дозвуковых потоках. Таким образом, наличие потока газа со скоростью vr 5; as/^/A2 приводит к заметному возрастанию эффективности охлаждения рабочей смеси и позволяет увеличить объемное энерговыделение до величины

Конвективное охлаждение требует прокачки большого количества рабочей смеси. Если в диффузионных лазерах скорость прокачки определя- S) ется скоростью химического отравления смеси и в присутствии регенераторов может быть равной нулю, то в конвективных лазерах для получения 1 Вт лазерного излучения необходимо прокачивать [(Гор,-Г.хКтЬоГ'~(2...5)х х!(Г2г/с.