Конвективний теплообмін. Перенесення теплоти конвекцією пов’язано з рухом рідини, або газу та дотиком їх часток до поверхні тіла (елементів конструкцій)

Лекція №2

Перенесення теплоти конвекцією пов’язано з рухом рідини, або газу та дотиком їх часток до поверхні тіла (елементів конструкцій).

Розділяють конвекцію:

- природну (звичайну) при вільному русі середовища за рахунок різниці густини частин середовища з різними температурами;

- примусову, коли рух середовища проходить під дією зовнішніх сил.

Тепловий обмін конвекцією описується законом Ньютона-Рихмана, відповідно з яким тепловий потік Ф [Вт] від поверхні тіла в середовище, або навпаки рівний:

Ф_ic = α_ic (θ_i – θ_c)S_i, (1.12)

де α_ic – коефіцієнт теплообміну конвекцією між поверхнею тіла і середовищем, [Вт/(м²·К)];

θ_i, θ_c – температури поверхні тіла та середовища;

S_i – площа поверхні теплообміну, [м²];

Із виразів (1.2) та (1.12) отримаємо, що: F_ic = 1 / (α_icS_i)

Для випадку, коли тепловий потік Ф_ic від поверхні тіла до середовища, або навпаки не змінюється, то відповідно із визначенням, коефіцієнт F_ic є тепловим опором конвенцією, позначимо його R_ic, тобто:

R_ic = 1 / (α_icS_i) (1.13)

Наряду з розглянутим загальним випадком обміну теплової енергії конвекцією між поверхнею тіла і середовищем, в практиці значна частина задач пов’язана з передачею енергії конвекцією між поверхнями тіл. При цьому в загальному випадку справедливий вираз:

Ф_ijc = α_ijc (θ_i – θ_j)S_i, (1.14)

де α_ijc – коефіцієнт передачі теплової енергії кондукцією між поверхнями i та j.

У випадку, коли між поверхнями S_i та S_j різних тіл, між якими передається енергія через шар рідини, або газу конвекцією, відсутні джерела та стоки теплової енергії, та коли площі тіл S_i та S_j рівні між собою, то вводиться поняття теплового опору промарну конвекцією між поверхнями через відповідний вираз:

R_ijc = 1 / (α_ijcS_i), (1.15)

Для таких задач існують наближені методи визначення R_ijc через послідовно з’єднані опори:

R_ijc = R_ic + R_ij + R_jc, (1.16)

де R_ic – тепловий опір конвекцією між поверхнею S_i та середовищем;

R_ij – тепловий опір кондукцією самого середовища, що знаходиться між поверхнями S_i та S_j;

R_jc – тепловий опір конвекцією між середовищем та поверхнею S_j.

Вся складність процесу конвективного теплообміну концентрується в одній величині, власне в коефіцієнті α_ic, який є функцією великої кількості параметрів, які суттєво впливають на процес теплообміну. Основними із них є:

ü розміри та геометрія конструкцій теплообміну;

ü λ_с – коефіцієнт теплопровідності середовища, який в загальному вигляді залежить від середовища, його температури, тиску;

ü β_с – коефіцієнт об’ємного теплового розширення середовища;

ü γ_с [м²/с] – коефіцієнт кінематичної в’язкості;

ü υ [м/с] – коефіцієнт швидкості потоку середовища;

ü С_р – коефіцієнт теплоємності середовища;

ü ρ – коефіцієнт густини середовища;

ü g [м/с²] – прискорення сили тяжіння.

Розглядаючи таблицю 1.1, в якій приведено значення коефіцієнта тепловіддачі α для різних систем охолодження, не що інакше як, в більшій частині випадків, коефіцієнт передачі теплової енергії кондукцією α_ic між поверхнею тіла і середовищем, слідує, що значення коефіцієнта α_ic знаходиться в широкому діапазоні величин: від одиниць до десятка тисяч.

Таким чином, проектування системи охолодження вцілому є складною задачею.

Теорією і практикою накопичено значний фактичний матеріал, який дозволяє проектувати системи охолодження, що оптимальні з точки зору захисту елементів і вузлів ЕОМ від перевищення допустимої температури їх експлуатації та забезпечення надійної роботи. Хочу сказати лиш те, що ці задачі потребують використання ЕОМ та відповідних програмних пакетів.

Дата добавления: 2014-01-07