Коэффициент теплопередачи - Heat transfer coefficient

Коэффициент теплопередачи, или коэффициент пленки , или эффективность пленки , в термодинамике и механике - это константа пропорциональности между тепловым потоком и термодинамической движущей силой для потока тепла (то есть разностью температур Δ T ):

Общий коэффициент теплопередачи для комбинированных режимов обычно выражается в терминах общей проводимости или коэффициента теплопередачи, U . В этом случае скорость теплопередачи составляет:

куда:

: площадь поверхности, на которой происходит теплообмен, м 2
: температура окружающей жидкости, К
: температура твердой поверхности, К.

Общее определение коэффициента теплопередачи:

куда:

q : тепловой поток , Вт / м 2 ; т.е. тепловая мощность на единицу площади , q = d / dA
h : коэффициент теплопередачи, Вт / (м 2 • K)
Δ T : разница температур между твердой поверхностью и окружающей жидкой областью, K

Он используется при расчете теплопередачи , обычно за счет конвекции или фазового перехода между жидкостью и твердым телом. Коэффициент теплопередачи имеет единицы СИ в ваттах на квадратный метр кельвина: Вт / (м 2 K).

Коэффициент теплопередачи является обратной величиной теплоизоляции . Он используется для строительных материалов ( значение R ) и для утепления одежды .

Существует множество методов расчета коэффициента теплопередачи в разных режимах теплопередачи, разных жидкостях, режимах потока и в разных теплогидравлических условиях. Часто она может быть оценена путем деления теплопроводности от конвекции жидкости по шкале длины. Коэффициент теплопередачи часто рассчитывается по числу Нуссельта ( безразмерное число ). Существуют также онлайн-калькуляторы, специально предназначенные для применения с жидким теплоносителем . Экспериментальная оценка коэффициента теплопередачи создает некоторые проблемы, особенно когда необходимо измерить небольшие потоки (например ).

Состав

Ниже показан простой метод определения общего коэффициента теплопередачи, который полезен для определения теплопередачи между простыми элементами, такими как стены в зданиях или через теплообменники. Обратите внимание, что этот метод учитывает только теплопроводность в материалах, он не принимает во внимание теплопередачу с помощью таких методов, как излучение. Метод выглядит следующим образом:

Где:

  • = общий коэффициент теплопередачи (Вт / (м 2 • K))
  • = площадь контакта для каждой стороны жидкости (м 2 ) (с любой поверхностью и выражая ее)
  • = теплопроводность материала (Вт / (м · К))
  • = индивидуальный коэффициент конвективной теплопередачи для каждой жидкости (Вт / (м 2 • K))
  • = толщина стены (м).

Поскольку площади для каждого подхода к поверхности равны, уравнение можно записать как коэффициент передачи на единицу площади, как показано ниже:

или

Часто значение для упоминается как разница двух радиусов, где внутренний и внешний радиусы используются для определения толщины трубы, по которой проходит жидкость, однако этот показатель также может рассматриваться как толщина стенки в механизме передачи с плоской пластиной. или другие обычные плоские поверхности, такие как стена в здании, когда разница площадей между каждым краем поверхности передачи приближается к нулю.

В стенах зданий указанная выше формула может использоваться для получения формулы, обычно используемой для расчета тепла через компоненты здания. Архитекторы и инженеры называют полученные значения либо U-Value, либо R-Value строительной сборки, такой как стена. Каждый тип значения (R или U) связаны друг с другом как обратные, так что R-Value = 1 / U-Value, и оба более полно понимаются с помощью концепции общего коэффициента теплопередачи, описанной в нижнем разделе этого документа. .

Корреляции конвективной теплопередачи

Хотя конвективный теплоперенос может быть получен аналитически с помощью анализа размеров, точного анализа пограничного слоя, приближенного интегрального анализа пограничного слоя и аналогий между передачей энергии и импульса, эти аналитические подходы могут не предлагать практических решений всех проблем, когда нет математических расчетов. применимые модели. Поэтому разные авторы разработали множество корреляций для оценки коэффициента конвективной теплопередачи в различных случаях, включая естественную конвекцию, вынужденную конвекцию для внутреннего потока и принудительную конвекцию для внешнего потока. Эти эмпирические корреляции представлены для их конкретной геометрии и условий потока. Поскольку свойства жидкости зависят от температуры, они оцениваются при температуре пленки , которая представляет собой среднее значение температуры поверхности и окружающей объемной температуры .

Внешний поток, вертикальная плоскость

Рекомендации Черчилля и Чу обеспечивают следующую корреляцию для естественной конвекции, прилегающей к вертикальной плоскости, как для ламинарного, так и для турбулентного течения. k - теплопроводность жидкости, L - характерная длина по отношению к направлению силы тяжести, Ra L - число Рэлея по отношению к этой длине, а Pr - число Прандтля .

Для ламинарных потоков следующая корреляция немного более точна. Замечено, что переход от ламинарной к турбулентной границе происходит, когда Ra L превышает примерно 10 9 .

Внешний поток, вертикальные цилиндры

Для цилиндров с вертикальными осями можно использовать выражения для плоских поверхностей при условии, что эффект кривизны не слишком велик. Это предел, при котором толщина пограничного слоя мала по сравнению с диаметром цилиндра . Соотношения для вертикальных плоских стен можно использовать, когда

где - число Грасгофа .

Внешний поток, горизонтальные пластины

МакАдамс предложил следующие корреляции для горизонтальных плит. Вызванная плавучесть будет разной в зависимости от того, обращена ли горячая поверхность вверх или вниз.

Для горячей поверхности, обращенной вверх, или холодной поверхности, обращенной вниз, для ламинарного потока:

и для турбулентного потока:

Для горячей поверхности, обращенной вниз, или холодной поверхности, обращенной вверх, для ламинарного потока:

Характерная длина - это отношение площади поверхности пластины к периметру. Если поверхность наклонена под углом θ к вертикали, тогда уравнения для вертикальной пластины Черчилля и Чу могут использоваться для θ до 60 °; если поток в пограничном слое ламинарный, гравитационная постоянная g заменяется на g cos  θ при вычислении члена Ra.

Внешний поток, горизонтальный цилиндр

Для цилиндров достаточной длины с незначительными концевыми эффектами Черчилль и Чу имеют следующую корреляцию для .

Внешний поток, сферы

Для сфер Т. Юге имеет следующую корреляцию для Pr≃1 и .

Вертикальный прямоугольный корпус

Для теплового потока между двумя противоположными вертикальными пластинами прямоугольных корпусов Каттон рекомендует следующие две корреляции для меньших соотношений сторон. Корреляции действительны для любого значения числа Прандтля.

Для 1 < H / L <2:

где H - внутренняя высота шкафа, а L - расстояние по горизонтали между двумя сторонами с разными температурами.

Для 2 < H / L <10:

Для вертикальных шкафов с большим соотношением сторон можно использовать следующие две корреляции. Для 10 < H / L <40:

Для 1 < H / L <40:

Для всех четырех корреляций свойства жидкости оцениваются при средней температуре - в отличие от температуры пленки - где и - температуры вертикальных поверхностей и .

Принудительная конвекция

Внутренний поток, ламинарный поток

Sieder и Tate приводят следующую корреляцию для учета входных эффектов при ламинарном потоке в трубках, где - внутренний диаметр, - вязкость жидкости при средней объемной температуре, - вязкость при температуре поверхности стенки трубы.

Для полностью развитого ламинарного течения число Нуссельта постоянно и равно 3,66. Миллс объединяет входные эффекты и полностью развитый поток в одно уравнение

Внутренний поток, турбулентный поток

Корреляция Диттуса-Бёльтера (1930) - обычная и особенно простая корреляция, полезная для многих приложений. Это соотношение применимо, когда принудительная конвекция является единственным способом теплопередачи; т.е. отсутствует кипение, конденсация, значительное излучение и т. д. Ожидается, что точность этой корреляции составит ± 15%.

Для жидкости, протекающей по прямой круглой трубе с числом Рейнольдса от 10 000 до 120 000 (в диапазоне турбулентного потока в трубе), когда число Прандтля жидкости составляет от 0,7 до 120, для местоположения, удаленного от входа в трубу (более 10 труб диаметров; более 50 диаметров по мнению многих авторов) или других возмущений потока, и когда поверхность трубы гидравлически гладкая, коэффициент теплопередачи между основной частью жидкости и поверхностью трубы может быть явно выражен как:

куда:

является гидравлический диаметр
- теплопроводность объемной жидкости
вязкость жидкости
поток массы
изобарная теплоемкость жидкости
составляет 0,4 для нагрева (стенки горячее, чем объем жидкости) и 0,33 для охлаждения (стенки холоднее, чем объем жидкости).

Свойства жидкости, необходимые для применения этого уравнения, оцениваются при объемной температуре, что позволяет избежать итераций.

Принудительная конвекция, внешний поток

При анализе теплопередачи, связанной с обтеканием внешней поверхности твердого тела, ситуация осложняется такими явлениями, как отрыв пограничного слоя. Различные авторы сопоставили диаграммы и графики для различных геометрических форм и условий потока. Для потока, параллельного плоской поверхности, где - расстояние от края, а - высота пограничного слоя, среднее число Нуссельта может быть вычислено с использованием аналогии Колберна .

Корреляция Тома

Существуют простые зависимости коэффициента теплопередачи при кипении для конкретных жидкостей. Корреляция Тома предназначена для потока кипящей воды (переохлажденной или насыщенной при давлениях примерно до 20 МПа) в условиях, когда вклад пузырькового кипения преобладает над принудительной конвекцией. Эта корреляция полезна для грубой оценки ожидаемой разницы температур с учетом теплового потока:

куда:

- превышение температуры стенки над температурой насыщения, K
q - тепловой поток, МВт / м 2
P - давление воды, МПа

Обратите внимание, что эта эмпирическая корреляция специфична для данных единиц.

Коэффициент теплопередачи стенки трубы

Сопротивление потоку тепла материала стенки трубы можно выразить как «коэффициент теплопередачи стенки трубы». Однако необходимо выбрать, основывается ли тепловой поток на внутреннем или внешнем диаметре трубы. Если выбрать основу для теплового потока на внутреннем диаметре трубы и предположить, что толщина стенки трубы мала по сравнению с внутренним диаметром трубы, то коэффициент теплопередачи для стенки трубы можно рассчитать, как если бы стенка не была изогнутой:

где k - эффективная теплопроводность материала стенки, x - толщина стенки.

Если сделанное выше предположение не выполняется, то коэффициент теплопередачи стенок можно рассчитать, используя следующее выражение:

где d i и d o - внутренний и внешний диаметры трубы соответственно.

Теплопроводность материала трубки обычно зависит от температуры; часто используется средняя теплопроводность.

Комбинирование коэффициентов конвективной теплопередачи

Для двух или более процессов теплопередачи, действующих параллельно, коэффициенты конвективной теплопередачи просто складываются:

Для двух или более процессов теплопередачи, соединенных последовательно, коэффициенты конвективной теплопередачи складываются обратно пропорционально:

Например, рассмотрим трубу, внутри которой течет жидкость. Приблизительная скорость теплопередачи между основной массой жидкости внутри трубы и внешней поверхностью трубы составляет:

куда

q = скорость теплопередачи (Вт)
h = коэффициент конвективной теплопередачи (Вт / (м 2 · K))
t = толщина стенки (м)
k = теплопроводность стены (Вт / м · К)
A = площадь (м 2 )
= разница в температуре.

Общий коэффициент теплопередачи

Общий коэффициент теплопередачи является мерой общей способности серии проводящих и конвективных барьеров на пути передачи тепла. Обычно его применяют для расчета теплопередачи в теплообменниках , но с тем же успехом его можно применить и к другим задачам.

В случае теплообменника, можно использовать для определения общей теплопередачи между двумя потоками в теплообменнике по следующей зависимости:

куда:

= скорость теплопередачи (Вт)
= общий коэффициент теплопередачи (Вт / (м 2 · K))
= площадь поверхности теплопередачи (м 2 )
= средняя логарифмическая разница температур (K).

Общий коэффициент теплопередачи учитывает индивидуальные коэффициенты теплопередачи каждого потока и сопротивление материала трубы. Его можно рассчитать как величину, обратную сумме ряда тепловых сопротивлений (но существуют более сложные взаимосвязи, например, когда передача тепла осуществляется разными путями параллельно):

куда:

R = сопротивление тепловому потоку в стенке трубы (K / W)
Остальные параметры такие же, как указано выше.

Коэффициент теплопередачи - это тепло, передаваемое на единицу площади на кельвин. Таким образом, площадь включается в уравнение, поскольку представляет собой площадь, на которой происходит передача тепла. Площади для каждого потока будут разными, поскольку они представляют площадь контакта для каждой стороны жидкости.

Тепловое сопротивление за счет стенки трубы (для тонких стенок) рассчитываются следующим соотношением:

куда

x = толщина стены (м)
k = теплопроводность материала (Вт / (м · К))

Это представляет собой теплопередачу за счет теплопроводности в трубе.

Теплопроводность является характеристикой конкретного материала. Значения теплопроводности для различных материалов указаны в списке теплопроводностей .

Как упоминалось ранее в статье, коэффициент конвективной теплопередачи для каждого потока зависит от типа жидкости, свойств потока и температурных характеристик.

Некоторые типичные коэффициенты теплопередачи включают:

  • Воздух - h = от 10 до 100 Вт / (м 2 K)
  • Вода - h = от 500 до 10 000 Вт / (м 2 К).

Термическое сопротивление из-за отложений обрастания

Часто во время использования теплообменники собирают на поверхности слой загрязнения, который, помимо потенциального загрязнения потока, снижает эффективность теплообменников. В загрязненном теплообменнике отложения на стенках создают дополнительный слой материалов, через который должно проходить тепло. Благодаря этому новому слою внутри теплообменника возникает дополнительное сопротивление, и, таким образом, общий коэффициент теплопередачи теплообменника снижается. Следующее соотношение используется для нахождения сопротивления теплопередаче с дополнительным сопротивлением загрязнению:

знак равно

куда

= общий коэффициент теплопередачи для загрязненного теплообменника,
= периметр теплообменника, может быть периметром горячей или холодной стороны, однако он должен быть одинаковым по периметру с обеих сторон уравнения,
= общий коэффициент теплопередачи для неизолированного теплообменника,
= сопротивление засорению на холодной стороне теплообменника,
= сопротивление засорению горячей стороны теплообменника,
= периметр холодной стороны теплообменника,
= периметр горячей стороны теплообменника,

Это уравнение использует общий коэффициент теплопередачи незагрязненного теплообменника и сопротивление загрязнению для расчета общего коэффициента теплопередачи загрязненного теплообменника. Уравнение учитывает, что периметр теплообменника различается на горячей и холодной сторонах. Используемый периметр не имеет значения, если он такой же. Общие коэффициенты теплопередачи будут скорректированы с учетом того, что использовался другой периметр, поскольку продукт останется прежним.

Сопротивление обрастанию можно рассчитать для конкретного теплообменника, если известны средняя толщина и теплопроводность загрязнения. Произведение средней толщины и теплопроводности дает сопротивление загрязнению на определенной стороне теплообменника.

знак равно

куда:

= средняя толщина загрязнения в теплообменнике,
= Теплопроводность обрастания, .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки