Конвективная теплопередача с расчётом коэффициента теплоотдачи#

block

Внешний вид блока в REPEAT VISION#

 Блок Конвективная теплопередача с расчетом коэффициента теплоотдачи описывает теплообмен между потоками воздуха и поверхностью тела.

 Тепловой поток в блоке, согласно закону охлаждения Ньютона (1) :

(1)#\[ Q=\mathrm{k}\cdot \mathrm{F}\left(T_{1}-T_{2}\right) \]

где:

 \(k\) - коэффициент теплоотдачи, [Вт/(м\(^2\) \(\cdot\) ℃)];

 \(F\) - площадь поверхности теплообмена, [м\(^2\)];

 \(T_1\) - температура воздуха, [℃];

 \(T_2\) - температура поверхности тела [℃].

 Расчет коэффициента теплоотдачи

 Конвективный теплообмен описывается критериальным уравнением следующего вида (2) :

(2)#\[ \mathrm{N}\mathrm{u}=f\left(\mathrm{R}\mathrm{e},\mathrm{P}\mathrm{r},\mathrm{G}\mathrm{r}, Г \dots \right) \]

где:

 \(\mathrm{N}\mathrm{u}=\frac{k\cdot l}{\lambda }\) - критерий Нуссельта;

 \(\mathrm{R}\mathrm{e}=\frac{w\cdot l}{\nu }\) - критерий Рейнольдса;

 \( \mathrm{P}\mathrm{r}=\frac{\nu }{\mathrm{а}}\) - критерий Прандтля;

 \( \mathrm{G}\mathrm{r}=\frac{g\cdot l^{3}}{\nu ^{2}}\beta ∆\mathrm{t}\) - критерий Грасгофа;

 \( Г=\frac{l_{i}}{l}\) - безразмерный геометрический  симплекс;

 \(k\) - коэффициент теплоотдачи, [\(\frac{\mathrm{В}\mathrm{т}}{\mathrm{м}^{2}\cdot \mathrm{℃}}]\);

 \(\nu\) - кинематический коэффициент вязкости теплоносителя, [\(\frac{м^2}{с}]\);

 \(\omega\) - скорость движения теплоносителя, [\(\frac{м}{с}]\);

 \(a\) - коэффициент температуропроводности, [\(\frac{м^2}{с}]\);

 \(g\) - ускорение свободного падения, [\(\frac{м^2}{с}\)];

 \(l\) - определяющий размер, [м];

 \(l_i\) - характерный размер, [м];

 \( \beta \) - коэффициент температурного расширения, [\(\frac{1}{K}\)];

 \(\Delta t = t_{ст} - t_{ж}\) - температурный напор между стенкой и теплоносителем, ℃;

 \(\lambda\) - коэффициент теплопроводности теплоносителя, [\(\frac{\mathrm{В}\mathrm{т}}{\mathrm{м}\cdot \mathrm{℃}}]\);

 Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по следующей формуле (3) :

(3)#\[ \alpha =\frac{\mathrm{N}\mathrm{u}\cdot \lambda }{l} \]

 Критерий Нуссельта при вынужденном движении потока в прямых трубах и каналах рассчитывается по следующим уравнениям:

 Ламинарный режим движения теплоносителя, \( \mathrm{R}\mathrm{e}\le 2320\) (4) :

(4)#\[ \mathrm{N}\mathrm{u}=\mathrm{0,15}\cdot \mathrm{R}\mathrm{e}^{\mathrm{0,33}}\cdot \mathrm{P}\mathrm{r}^{\mathrm{0,43}}\cdot \mathrm{G}\mathrm{r}^{\mathrm{0,1}}\cdot \left(\frac{\mathrm{P}\mathrm{r}}{\mathrm{P}\mathrm{r}_{\mathrm{с}\mathrm{т}}}\right)^{\mathrm{0,25}}\cdot \epsilon _{l} \]

где:

 \( \Pr_{ст}\) - критерий Прандтля для теплоносителя при температуре стенки;

 \(\epsilon_l\) - коэффициент, определяемый из таблиц 1 и 2;

 Переходный режим движения теплоносителя, \( 2320\le \mathrm{R}\mathrm{e}<10000\) (5) :

(5)#\[ \mathrm{N}\mathrm{u}=\mathrm{0,008}\cdot \mathrm{R}\mathrm{e}^{\mathrm{0,9}}\cdot \mathrm{P}\mathrm{r}^{\mathrm{0,43}} \]

 Турбулентный режим движения теплоносителя, \(\mathrm{R}\mathrm{e}\ge 10000\) (6) :

(6)#\[ \mathrm{N}\mathrm{u}=\mathrm{0,021}\cdot \mathrm{R}\mathrm{e}^{\mathrm{0,8}}\cdot \mathrm{P}\mathrm{r}^{\mathrm{0,43}}\left(\frac{\mathrm{P}\mathrm{r}}{\mathrm{P}\mathrm{r}_{\mathrm{с}\mathrm{т}}}\right)^{\mathrm{0,25}}\cdot \epsilon _{l} \]

 Определяющей температурой в уравнениях, представленных выше, является средняя температура жидкости, определяющим размером – эквивалентный диаметр сечения потока (7) :

(7)#\[ d_{\mathrm{э}\mathrm{к}\mathrm{в}}=\frac{4\cdot S}{\mathrm{П}} \]

где:

 \(S\) - площадь сечения потока жидкости, [м\(^2\)];

 П - смоченный периметр, [м].

Таблица 1 - Значение коэффициента \(\epsilon _1\) при \(Re < 10000\)

\(\frac{l}{d_{экв}}\)

1

2

5

10

15

20

30

40

50

\( \epsilon_l \)

1,9

1,7

1,44

1,26

1,18

1,13

1,05

1,02

1

Таблица 2 - Значение коэффициента \(\epsilon _1\) при \(Re > 10000\)

Re

\(\frac{l}{d_{экв}}\)

10

20

30

40

50

\(1 \cdot 10^4\)

1.23

1.13

1.07

1.03

1

\(2 \cdot 10^4\)

1.18

1.1

1.05

1.02

1

\(5 \cdot 10^4\)

1.13

1.08

1.04

1.02

1

\(1 \cdot 10^5\)

1.1

1.06

1.03

1.02

1

\(1 \cdot 10^6\)

1.05

1.03

1.02

1.01

1

 Для свободной конвекции критерий Нуссельта рассчитывается по следующей формуле (8):

(8)#\[ \mathrm{N}\mathrm{u}=C\cdot \left(\mathrm{G}\mathrm{r}\cdot \mathrm{P}\mathrm{r}\right)^{n}\cdot \left(\frac{\mathrm{P}\mathrm{r}}{\mathrm{P}\mathrm{r}_{\mathrm{с}\mathrm{т}}}\right)^{\mathrm{0,25}} \]

где С и n зависит от режима движения теплоносителя и определяются по таблице 3.

Таблица 3 - Значение коэффициента C и показателя степени n

Режим

\(Gr \cdot Pr\)

\(C\)

\(n\)

Ламинарный

\( 1\cdot 10^{-3}\div 5\cdot 10^{2}\)

1,18

0,125

Переходный

\( 5\cdot 10^{2}\div 2\cdot 10^{7}\)

0,54

0,25

Турбулентность

\( 2\cdot 10^{7}\div 1\cdot 10^{12}\)

0,185

0,33

 Определяющим геометрическим размером является высота вертикальной поверхности теплообмена, для горизонтальных труб – диаметр. Определяющая температура – средняя температура теплоносителя.

 Для обтекания пластины критерий Нуссельта рассчитывается по формулам:

  • ламинарный режим движения теплоносителя \(Re < 5 \cdot 10^5\) (9):

(9)#\[ Nu=\mathrm{0,66}\cdot \mathrm{R}\mathrm{e}^{\mathrm{0,5}}\cdot \mathrm{P}\mathrm{r}^{\mathrm{0,33}}\cdot \left(\frac{\mathrm{P}\mathrm{r}}{\mathrm{P}\mathrm{r}_{\mathrm{с}\mathrm{т}}}\right)^{\mathrm{0,25}} \]
  • турбулентный режим движения теплоносителя (10):

(10)#\[ Nu=\mathrm{0,037}\cdot \mathrm{R}\mathrm{e}^{\mathrm{0,8}}\cdot \mathrm{P}\mathrm{r}^{\mathrm{0,43}}\cdot \left(\frac{\mathrm{P}\mathrm{r}}{\mathrm{P}\mathrm{r}_{\mathrm{с}\mathrm{т}}}\right)^{\mathrm{0,25}} \]

 Расчет критерия Нуссельта при естественной и вынужденной конвекции горизонтального цилиндра

 Определяющая температура: t=\(\frac{(t_{ст}+t_ж)}{2}\), определяющий размер - диаметр.

Естественная конвекция: (11):

(11)#\[Nu=(0,6+\frac{0.387 \cdot Ra^{\frac{1}{6}}}{(1+(\frac{0.559}{Pr})^{\frac{9}{16}})^{\frac{8}{27}}})^2\]

Вынужденная конвекция: (12):

(12)#\[Nu=C\cdot Re^m\cdot Pr^\frac{1}{3}\]

Таблица 4 - Значение коэффициента C и показателя степени m

Re

\(C\)

\(m\)

< 4

0,989

0,33

4 - 40

0,911

0,385

4 - 4000

0,683

0,466

4000 - 40000

0,193

0,618

> 40000

0,027

0,805

 Расчет критерия Нуссельта при естественной и вынужденной конвекции пластины

 Определяющая температура: t=\(\frac{(t_{ст}+t_ж)}{2}\), определяющий размер:

Таблица 5 - Значение коэффициента C и показателя степени m

Угол наклона пластины

Определяющий размер

0 или 180

\(\frac{(L\cdot W)}{2\cdot (L+W)}\)

0 < Угол наклона пластины < 180

L

где:

 L - длина пластины, [м];

 W - ширина пластины, [м].

Естественная конвекция

Холодная пластина - горячий теплоноситель

  • Угол наклона = 0 (13):

(13)#\[Nu=0,27 \cdot Ra^{\frac{1}{4}}\]
  • 0 < Угол наклона < 30 (14):

(14)#\[Nu=Nu(0)+\frac{Nu(30)-Nu(0)}{0,5}\cdot sin(\alpha)\]

где \(\alpha\) - угол наклона пластины, [град].

  • 30 ≤ Угол наклона < 90 (15):

(15)#\[Nu=(0,825+\frac{0.387 \cdot (Ra\cdot sin(\alpha))^{\frac{1}{6}}}{(1+(\frac{0,492}{Pr})^{\frac{9}{16}})^{\frac{8}{27}}})^2\]

где \(\alpha\) - угол наклона пластины, [град].

  • Угол наклона = 90 (16):

(16)#\[Nu=(0,825+\frac{0.387 \cdot Ra^{\frac{1}{6}}}{(1+(\frac{0,492}{Pr})^{\frac{9}{16}})^{\frac{8}{27}}})^2\]
  • 90 < Угол наклона < 180 (17):

(17)#\[Nu=Nu(180)+(Nu(90)-Nu(180))\cdot sin(\alpha)\]

где \(\alpha\) - угол наклона пластины, [град].

  • Угол наклона = 180

Ra < 4.74E6 (18):

(18)#\[Nu=0,54 \cdot Ra^{\frac{1}{4}}\]

Ra > 4.74E6 (19):

(19)#\[Nu=0,15 \cdot Ra^{\frac{1}{3}}\]

Горячая пластина - холодный теплоноситель

  • Угол наклона = 0

Ra < 4.74E6 (20):

(20)#\[Nu=0,54 \cdot Ra^{\frac{1}{4}}\]

Ra > 4.74E6 (21):

(21)#\[Nu=0,15 \cdot Ra^{\frac{1}{3}}\]
  • 0 < Угол наклона < 90 (22):

(22)#\[Nu=Nu(0)+(Nu(90)-Nu(0))\cdot sin(\alpha)\]

где \(\alpha\) - угол наклона пластины, [град].

  • Угол наклона = 90 (23):

(23)#\[Nu=(0,825+\frac{0.387 \cdot Ra^{\frac{1}{6}}}{(1+(\frac{0,492}{Pr})^{\frac{9}{16}})^{\frac{8}{27}}})^2\]
  • 90 ≤ Угол наклона < 150 (24):

(24)#\[Nu=(0,825+\frac{0.387 \cdot (Ra\cdot sin(\alpha))^{\frac{1}{6}}}{(1+(\frac{0,492}{Pr})^{\frac{9}{16}})^{\frac{8}{27}}})^2\]

где \(\alpha\) - угол наклона пластины, [град].

  • 150 < Угол наклона < 180 (25):

(25)#\[Nu=Nu(0)+\frac{Nu(150)-Nu(180)}{0,5}\cdot sin(\alpha)\]

где \(\alpha\) - угол наклона пластины, [град].

  • Угол наклона = 180 (26):

(26)#\[Nu=0,27 \cdot Ra^{\frac{1}{4}}\]

Вынужденная конвекция

  • Ламинарный поток Re < 31836 (27):

(27)#\[Nu=0,664 \cdot Ra^{\frac{1}{2}}\cdot Pr^{\frac{1}{3}}\]
  • Турбулентный поток Re > 31836 (28):

(28)#\[Nu=0,037 \cdot Re^{\frac{4}{5}}\cdot Pr^{\frac{1}{3}}\]

1.  Свойства#

Свойство

Значение по умолчанию

Описание

Единицы измерения

Площадь поверхности

10

-

м\(^2\)

Тип конвекции:
Естественная;
Вынужденная;
Смешанная

Естественная

-

-

Тип обтекания:
Прямые трубы;
Плоская поверхность;
Горизонтальный цилиндр

Прямые трубы

-

-

Характерный размер

10

-

м

Длина трубы

10

Доступно, когда Тип обтекания - Прямые трубы

м

Смоченный периметр

30

Доступно, когда Тип обтекания - Прямые трубы

м

Площадь сечения потока среды

30

Доступно, когда Тип обтекания - Прямые трубы

м\(^2\)

Угол наклона поверхности

60

Доступно, когда Тип обтекания - Плоская поверхность

ᵒ

Ширина пластины

20

Доступно, когда Тип обтекания - Плоская поверхность

м

Длина пластины

20

Доступно, когда Тип обтекания - Плоская поверхность

м

2.  Входы и выходы#

Параметры

Вход/Выход

Описание

Единицы измерения

Тип порта

Скорость потока

Вход

-

м/с

Автоматика

Вход

Вход

-

-

Теплопередача

Выход

Выход

-

-

Теплопередача

Для того, чтобы посмотреть возможности подключения блока необходимо перейти на страницу Описание портов блоков