Отдел продаж

Телефоны: (3532) 25-27-22, 93-60-02, 93-50-02

E-mail: [email protected]

г.Оренбург, ул.Беляевская, д.50/1, стр.1

 
Разное

Конвекционное отопление: преимущества и особенности выбора. Что такое конвекторное отопление – устройство, принцип работы, правила установки

By alexxlab

Содержание

Конвекторное отопление для частного деревянного каркасного загородного дома или дачи

Сегодня благодаря широкому ассортименту различного оборудования можно организовать любую систему отопления. Особой популярностью в последнее время пользуется конвекторное отопление дома. Объясняется его популярность тем, что оно обладает многими преимуществами.

Отопительные конвекторы

Принцип работы конвекторного отопления

Во время работы конвекторного отопления горячие воздушные массы в помещении перемешиваются с холодными. Кто-то ошибочно полагает, что такой процесс не может эффективным и равномерным образом обогреть помещение. Отопление дома конвекторами, которое функционирует благодаря конвекции, базируется на том, что через теплообменник конвектора происходит непрерывная циркуляция воздуха. Благодаря этому воздух в помещении нагревается равномерным образом. Плюс такого отопления состоит еще в том, что температура в помещении поднимается довольно быстро. Если говорить о скорости нагрева воздуха, то конвекторов обходят только тепловые вентиляторы, однако они создают больше шума.

Циркуляция воздуха при конвекторном отоплении.

Однако следует соблюдать некоторые нюансы для того чтобы отопление частного дома конвекторами работало правильно и надежно:

  • Перед тем, как выбрать конвекторы отопления и монтировать такоре оборудование, необходимо как можно лучше утеплить дом или квартиру. Иначе часть тепла будет уходить в атмосферу.
  • Исходя из общей площади дома, необходимо произвести как можно более верный расчет необходимой тепловой мощности. На 1 кв. метр площади необходимо примерно 100 Ватт тепловой энергии, однако всегда лучше брать небольшой запас.
  • Конвекторы для отопления дома необходимо монтировать исходя из рекомендации производителя.
  • Если вы хотите, чтобы температура в доме могла регулироваться вами, необходимо выбирать оборудование, оснащенное термостатом электронного типа.

    Конвектор с электронным термостатом

    Рекомендуем к прочтению:

    Рекомендуем к прочтению:

Преимущества конвекторного отопления

Среди основных достоинств конвекторного отопления, как показывают отзывы, можно выделить следующие:

  • Высокий уровень безопасности во время эксплуатации оборудования. Лучшие конвекторы отопления оснащены специальным защитным кожухом, который не нагревается до такой высокой температуры, как сам прибор. Помимо этого, предусмотрена такая функция, как автоматическое отключение при нагреве.
  • Приборы оснащены автономным температурным контролем. Благодаря датчикам, которыми оснащено данное оборудование, можно регулировать температуру и установить наиболее комфортный и оптимальный температурный режим. К тому же оборудование можно на долгое время оставлять без присмотра.

Устройство конвектора

  • Можно нормировать увлажненность. Конвекционное отопление дома не способно высушивать воздух. Посредством таких устройств можно создать наиболее подходящий микроклимат в помещении.
  • Высокий уровень влагостойкости. Приборы для конвекторных систем отопления благодаря своим конструкционным особенностям защищены от попадания внутрь влаги. Кроме того, материалы, из которых изготовлено оборудование, обладают отличной стойкостью к коррозийным воздействиям.
  • Красивый внешний вид. Современное конвекционное отопление частного дома имеет эстетичный вид и оборудование способно вписаться в интерьер любого дома.
  • Долгий срок службы. Такие приборы смогут прослужить вам верой и правдой много лет.
  • Доступная стоимость конвектора отопления. Благодаря большому количеству производителей данного оборудования цена на него вполне приемлемая.

Конвекторное оборудование электрического типа

Электрическое отопление конвекторами дачи работает на базе ТЭНов или нити накаливания. ТЭНовое оборудование является наиболее популярным. Это объясняется тем, что такие нагревательные приборы считаются одними из самых безопасных. Так как они не нагреваются до больших температур, в воздух выделяется совсем маленькое количество продуктов сгорания. Такое оборудование подойдет идеальным образом для таких помещений, в которых вентиляция оставляет желать лучшего, или на окнах которых установлены стеклопакеты.

Электрический конвектор

Данное оборудование может прослужить около 25 лет. Такое отопление каркасного дома конвекторами поможет создать в помещении наиболее оптимальный микроклимат и позволит сэкономить на электроэнергии.

Многие современные конвекторы отопления оснащены дополнительно такими компонентам, как очистители воздуха и ионизаторы.

Правда, такое оборудование будет стоить несколько дороже обычного. Чтобы электрическое конвекторное оборудование начало свою работу, потребуется подключить его к сети.

Газовое конвекторное оборудование

Перед тем, как подключить такое отопление загородного дома конвекторами, необходим длительный подготовительный процесс, и многих это настораживает. Однако в дальнейшем газовое оборудование себя полностью окупит, так как газ считается самым дешевым топливом из всех доступных на сегодняшний день. Такая система может работать на природном газе, поэтому ее можно будет установить только в том случае, если дом имеет доступ к газовой магистрали.

Для того чтобы продукты сгорания не попадали в дом, предусмотрена специальная труба, через которую они выводятся. Устанавливается такая труба во время монтажных работ. Лучше всего, если такая труба будет коаксиального типа.

 

Газовое конвекторное отопление дачи также характеризуется высоким уровнем надежности. Несмотря на то, какие лучше конвекторы отопления, такое оборудование легко можно оставить работать без присмотра на целую ночь. Также оно обладает длительным сроком службы. Посредством газовых конвекторов можно будет создать надежную и долговечную отопительную систему.

Газовое отопление в деревянном доме конвекторами стоит несколько дороже, чем электрическое, однако нужно помнить о том, что газ не такой дорогой, как электроэнергия.

Водяные конвекторы отопления — технические характеристики и конвекционные радиаторы

Водяной конвектор отопления входит в категорию самых экономичных и эффективных обогревателей. Благодаря ему можно поддерживать наиболее оптимальный для себя и для своей семьи микроклимат.

Данное оборудование выполняет следующие функции:

  • Обеспечивает помещение теплом и создает для жильцов дома наиболее комфортные и оптимальные условия.
  • Отсекает потоки охлажденного воздуха.
  • Распределяет теплый воздух по всему помещению наиболее равномерным образом и обеспечивает его нормальную циркуляцию.
  • Предотвращает появление конденсата на остекленной поверхности.

Если посмотреть на название такого прибора, то можно сделать вывод, что это никак не радиатор. Между такими двумя обогревательными приборами есть несколько существенных отличий. Перед тем, как понять, что такое водяной конвектор отопления, необходимо разобраться с термином «конвекция».

Рекомендуем к прочтению:

Водяные конвекторы

Советы и рекомендации для дачников и огородников на портале https://vodakanazer.ru, а также советы и рекомендации по водоснабжению и отоплению.

Конвекция

Данным термином обозначают процесс переноса тепловой энергии с помощью движущегося воздуха, который исходит от теплого предмета. По мере того, как воздух нагревается, он становится легче, значит, будет подниматься вверх. Там он встречается с холодным воздухом и в результате перемешивания он снова опускается вниз, где вновь происходит его нагревание. Подобным образом происходит процесс циркуляции.

Конвекторы водяного отопления нагревают воздух именно за счет циркуляции, а не как радиаторы отопления нагревают воздух посредством излучения тепла.

У конвекторного отопления есть свои преимущества и недостатки. К плюсам можно отнести такие характеристики как:

Рекомендуем к прочтению:

  • Отличный дизайн и красивые и элегантные формы позволяют использовать такой обогревательный прибор даже в помещениях с самым современным дизайном. К тому же, конвекторы отопления водяные, технические характеристики которых приемлемы, довольно просты в обслуживание и не обладают большими размерами.

Водяные конвекторы отопления имеет привлекательный внешний вид

  • Нагрев помещения происходит наиболее равномерным образом. За счет малого количества горячей воды нагрев помещения происходит всего за несколько минут. Благодаря этому экономится довольно большое количество электроэнергии.
  • При работе водяного конвектора разница температуры воздуха возле пола и в районе потолка составляет всего 1-2 градуса, тогда как при работе радиатора разница может составлять и 6-7 градусов.
  • Многие водяные конвекторы отопления оснащены термостатом, посредством которого можно выбрать наиболее удобную для себя температуру. Благодаря встроенному температурному датчику желаемый температурный режим будет держаться все время, пока конвектор будет функционировать.

Термостат водяного конвектора

  • Конвектор обладает максимальной температурой нагрева в 90 градусов. Если сравнивать с радиатором отопления, то разница может составить от 30 до 50 градусов. Такая функция особенно удобна для тех семей, в которых имеются маленькие дети.
  • Если конвекторы объединить, можно управлять отопительной системой всего дома.
  • Данное устройство является полностью пожаробезопасным.
  • Конвекторное отопление водяное доступно по вполне приемлемой цене, как говорят отзывы.

Система отопления с водяными конвекторами, управляемые дистанционно

Типы конвекторов

Конвекторные радиаторы водяного отопления можно классифицировать исходя из таких параметров, как: габариты, методы управления, расположение внутри помещения, параметры мощности, конструктивные особенности и многих других:

  • Конвекционные радиаторы водяного отопления настенного типа. Такой водяной конвектор имеет относительно малый вес, и поэтому его можно прикрепить на стену. Его можно прикрепить даже на стену, изготовленную из легких материалов, например, такого как гипсокартон. Благодаря тому, что такое устройство довольно компактное, его можно установить даже под окном. Такие приборы могут обладать различными размерами, однако даже небольшой конвектор по показателям мощности вряд ли чем-то уступит громоздкой батарее.

Настенный водяной конвектор

  • Напольные водяные конверторы отопления. Такой конвектор по конструкции довольно схож с настенным устройством. Он также состоит из неразборного цельного блока, а уровень его теплового напряжения довольно низкий. Благодаря этому возле конвектора можно ставить различные предметы и не бояться за то, что произойдет их возгорание. Несмотря на компактный размер, такие устройства обладают довольно высокой мощностью. Конвекторы не будут сушить воздух в помещении и их можно использовать как главный источник тепла. В помещениях с большим остеклением, где нет возможности установить радиаторы отопления, водяные напольные конвекторы могут использоваться как дополнительный источник тепла.

Напольный водяной конвектор

  • Встраиваемый водяной конвертер отопления. Данные приборы входят в категорию ультрасовременных. Они способны вписаться в любой тип интерьера.

Встраиваемый водяной конвертер отопления

Устанавливаются такие конвекторы или в плинтус, или в канал на полу, который был сделан специально для них. Благодаря конвекторам встраиваемого типа можно отопить как небольшое помещение, так и здание с большой площадью.

Конструкция водяного конвектора

Медная труба, оснащенная пластинами из алюминия, – это сердце водяного конвектора. Если расстояние между ребрами большое, то и уровень теплоотдачи будет высоким. Такая труба находится в защитном кожухе, а кожух, в свою очередь, закрыт посредством специальной решетки. Благодаря клапану, установленному на приборе, можно регулировать температуру. Этот клапан управляется термостатом. Кроме того, конвектор отопления водный оснащен клапаном для удаления воздуха. Чтобы увеличить параметры мощности, можно в одном корпусе установить два или три теплообменника.

Конвекторное отопление частного дома – что это? +Видео

Конвекторное отопление дома – все плюсы и минусы. Отопительные системы можно условно разделить на теплый пол, а также радиаторную и конвекторную систему. Итак, давайте поговорим о том, как с использование подобных приборов можно создать отопление дома по последнему варианту.

Работа 80% обогревательных устройств основана на конвективном способе. Такое явление можно отметить по движению нагретого воздуха вверх, а холодного вниз. Конвекторы и отопление такого типа используют именно этот физический закон.  Если говорить о принципе действия, то внутри обогревателя находится нагревательный элемент с большой теплообменной площадью. К нему снизу подходит холодный воздух, а когда он проходит через нагреватель, то прогревается и начинает подниматься вверх к потолку, тем самым вытесняя холодный воздух. Таким образом,  получается распределение тепла.

Общие сведения

Достоинства конвекторного отопления дома:

  • Так как действие основано исключительно на законах физики, движение воздуха не будет зависеть от каких-либо еще факторов, и если нагреватель работает, то тепло обязательно будет распространяться по комнате.
  • Бесшумность работы. Если не включить вентилятор (который иногда устанавливают для активного прогревания), шума от работающего устройства не будет.
  • Быстрое начало рабочего режима – включили, спустя пару минут конвектор начинает нагревать воздух.
  • Быстрое прогревание и остывание, что дает возможность поддерживать идеальную температуру (относится к моделям, в которых есть термостат).

Если же, к примеру, сравнить масляный радиатор и конвектор, то второй вариант в разы лучше. Дело в том, что масляный радиатор дает тепло, но оно будет лишь рядом. За счет того, что конвекторное  устройство «гоняет» воздух, тепло распределяется равномерно. По этой причине, если вы не можете определиться, какое из этих двух устройств стоит выбирать, берите второе, так как это намного комфортнее. И еще – отопление дома или квартиры при помощи конвектора намного экономнее, и даже в сравнении с теми же масляными радиаторами экономия равна 25%.

Естественно, что у такого способа отопления жилой площади есть и некоторые недостатки. С ними стоит разобраться поподробнее, чтобы не было никаких неожиданностей.

  • Постоянное движение воздуха будет носить с собой аллергены и пыль, а это совсем плохо, если вы или ваши родные являются аллергиками. Помимо этого, такое движение может доставлять и другой дискомфорт, так как из-за постоянно движущегося воздуха ощущается сквозняк.
  • Несмотря на то, что воздушные массы движутся постоянно, под потолком воздух все равно будет теплее, чем возле пола, а для большинства людей такое температурное распределение неудобно, так как ноги стынут от холода, а голове жарко и из-за этого часто начинается мигрень. Хотя такой температурный режим не самый лучший, но данный недостаток есть почти у всех отопительных систем (к исключениям отнесем инфракрасный обогрев и теплый пол).
  • Отопления конвекторными радиаторами – процесс медленный. Скорость естественного циркулирования воздуха в комнате небольшая, а для ускорения процесса можно установить нагревательный высокотемпературный элемент. В этом случае конвекция будет активнее, но элементы, нагретые до предельной температуры, могут сжигать пыль и кислород, которые попадают на раскаленную поверхность вместе с общей массой воздуха. По этой причине важно следить, чтобы температура обогревателя не была через чур высокой.

В целом, отопление дачи, квартиры или дома при помощи конвекторов не является идеальным решением, но оно все же приемлемое. При их помощи можно обеспечить комфорт в зиму при любых помещениях и условиях, правда, счета за электричество будут немалыми. И второй момент – выделенной мощности за квартиру или дом должно быть на 25% больше, нежели общая мощность все используемых электрических обогревателей, так как из-за перегрузки может сработать защита.

Разновидности конвекторных обогревателей

Для обогревания помещений конвекторы могут стать частью водяного отопления, а могут быть использованы и в качестве отдельных приборов для прогревания воздуха. Перед тем, как подобрать конвектор, следует ознакомиться с их свойствами и техническими характеристиками, хотя бы в общих чертах. Так выбор получится осознанным, и мы уверены, что вы купите стоящее устройство. Прелесть такого отопления в том, что вы можете в любой момент добавить другие источники тепла или же поменять их местоположение.

При водяном отоплении

Конвекторное водяное отопление отличается от радиаторов тем, что оно считается  теплоизлучаемым (поверхность)  в большей мере.  Как правило, на трубу с тепловым носителем закрепляют ребра, или как их еще называют,  дополнительные пластины. Такие ребра тоже начинают нагреваться, а проходящий воздух начинает отбирать это тепло. Благодаря этому действию тепловой обмен ускоряется. Именно по большой площади теплового обменника и можно отличить отопление дома конвектором от радиаторов, хотя в большей степени такое деление является условным.

Для того чтобы конструкция имела более привлекательный внешний вид, конструкция из пластин и трубы может быть закрыта при помощи металлического кожуха или декоративной решетки. Хотя и это устройство получится не слишком привлекательным внешне, но благодаря ребрам и конвекции тепло будет эффективно передано в квартиру/дом.

По методу установки есть такие виды водяных конвекторов для отопления квартиры или дома:

  • Встраиваемые в поверхность пола. Отличный вариант, если нужно обогреть панорамное окно (такой способ называют еще французским остеклением), двери из стекла, которые ведут на террасу/сад/балкон. Декоративная решетка будет прикрывать прибор и находиться на одном и том же уровне с напольным покрытием, а воздушный поток будет направлен на стекло, чтобы не дать ему замерзнуть. Из недостатков стоит отметить сложности монтажных работ, при этом подобное можно сделать лишь на стадии капитального ремонта. Для этого нужно будет сделать углубление для корпуса, а это не всегда возможно, и иногда даже требуется поднимать пол. И то, и другое решение очень дорогое.
  • Настенные. Одним из вариантов является металлический радиатор, в котором конвекционная составляющая тепла достаточно высока, хоть и имеет название «радиатор». Такой вариант более дешевый, если сравнить с остальными радиаторами, но его чаще требуется заменить (для изготовления используют черный металл, а он очень быстро разрушается).
  • Напольные радиаторы. Такие модели могут стоять где угодно, не только возле стены. Их стоит выбирать, если вам требуется обогревать стену из стекла, а также большое окно от пола для потолка. Их можно ставить, даже если несущая способность материала, из которого выполнена стена, не может выдерживать больших нагрузок статического характера (к примеру, когда речь идет о перегородках из гипсокартона). Внешне они мало будут отличаться от настенных устройств, но все же они будут стоять на ножках. Есть особые модели дизайнерского производства, которые сделаны в виде стола или скамейки. Часто такие модели имеют небольшую высоту.
  • Нагревательный плинтус. Да, еще одной разновидностью водяного конвекторного отопления является греющий плинтус, который отличается небольшой высотой до 14 см и глубиной до 5 см. Он представляет собой трубы из меди, которые имеют оребрение, и прикрыты особыми кожухами их пластика, которые внешне сильно напоминают плинтус. Систему собирают из малых секций, которые между собой соединены трубами. Ее устанавливают в месте примыкания стен и пола по всему периметру помещения, а именно в том месте, где обычно устанавливают плинтус. Из-за своего внешнего вида конструкция получила второе название «плинтусное отопление». Если вы не желаете, чтобы конвекторное отопление испортило дизайн квартиры, следует обратить внимание на этот вариант.

В странах СНГ конвекторы, работающие от теплового носителя, встречаются редко. Мы больше привыкли использовать такие надежные металлы, как нержавеющую сталь, чугун и прочее. При желании можно найти и модели из меди, которые будут служить долго, но в этом случае вас, скорее всего, остановит цена, так как она слишком высока. И еще – есть разница в ощущениях, так как отопление дома конвекторами комфортно не для всех, ибо может создать ощущение сквозняка.

Конвекторы электрического типа

Если у вас нет возможности или же желания вкладывать много денег в водяную отопительную систему, то обогрев дома можно сделать при использовании конвекторов электрического типа. Это автономные отопительные приборы, которые можно использовать как в качестве дополнительных, так и основных источников тепла. Есть электрические конвекторы с разными способами установки:

Настенные:

  1. Устанавливают под областью окна, чтобы отсечь холод, который исходит от стекол, и обычно выполнены в форме прямоугольника, их навешивают на несколько креплений, которые вкручены или прикручены к стене.
  2. Навешивают на любом свободном участке стены.
  3. Установлены под потолком, чаще всего похожи на внутренний блок от кондиционера, а также оснащены жалюзи для того, чтобы можно было сменить направление воздушного потока, и ими можно управлять с пульта.

Напольные обогревателя являются мобильными средствами, и их подвижность ограничена лишь длиной электрического шнура. Но все же вы можете подключить удлинитель или перенес устройство к другой розетке, которая будет ближе к месту обогрева.

Отопление дома конвекторами, которые работают от электричества, замечательно тем, что не требуется серьезных монтажных работ. Это устройство мало весит, не создает большую нагрузку на поверхность стен. Могут потребоваться лишь пару крюков (все зависит от размера), на которые они будут повешены и рядом будет розетка. На этом подготовительные работы окончены и можно подключать устройства. Еще одним плюсом является то, что выход из строя одного элемента (исключением является электрическое питание) не будет наносить вред остальным. Нерабочий конвектор можно заменить, и это делается за пару-тройку минут, если у вас есть запасной, или 1-2 часа, чтобы купить новый.

Но стоит выделить, какие у электрических конвекторов есть недостатки:

  • При отсутствии электричества не будет нагревания. И тут нет никаких вариантов, хоть костер посреди гостиной разводи (для таких случаев лучше позаботиться заранее и сделать систему аварийного питания электрической энергией, но это большие денежные траты).
  • Отопление дома при помощи конвектором имеет небольшую инерцию тепла. Это дает возможность быстро начать прогревание, но как только конвекторы будут отключены, квартира или дом начнут остывать.
  • Электричество является наиболее дорогим из энергетических носителей, и отопления дома посредством конвекторов тоже не является самым дешевым. К примеру, чтобы в средней полосе России прогреть дом с площадью до 100 м2, может потребоваться от 1 000 до 1 350 кВт/месяц. Более точный расход можно получить, если знать среднемесячную температуру и степень утепления дома, но по таким данным подсчитать ориентировочную стоимость несложно. Даже при учете ночного тарифа сумма все равно выходит большая.
  • Для полного отопления дома при помощи электрического конвекторного отопления в местах, где редко бывают перебои с электричеством это далеко не самый плохой вариант, который не требует больших затрат на монтаж и установку, но способ затратный с точки зрения расходов по месяцам.

Газовый обогрев

Если вы не имеете понятия, как сделать так, чтобы прогревание дома посредством конвектора было экономным, следует рассмотреть конвекторы, которые работают от газа. Это приборы небольшого размера, которые способы работать от сжиженного или природного газа. Газ – это самое дешевое на данный момент топливо, поэтому отопления при помощи газовых конвекторов является самым экономичным.

Устройство конвекторов газового типа питания эффективное и простое, и его КПД составляет 85-87% в среднем. В теплообменнике газ сжигается, а тепло распространяется или за счет естественного процесса, или за счет работы встроенного вентилятора. Отработанный газ выводится на улицу через трубку.

По способу отведения газа оборудование может быть:

  • С трубой коаксиального типа (труба в трубе). Устройство еще иногда называют парапетным. Его можно установить на любой стене наружного типа. Для установки требуется проделать в стене отверстие с подходящим размером (диаметром) для выведения дымохода. По наружной трубе в теплообменник/горелку попадает воздух, который требуется для процесса горения, а по внутренней трубе выходят отработанные газы.
  • Каминный тип. Данный тип конвекторов устанавливают недалеко от дымоотвода. Продукт сгорания в этом случае отводят через дымоход обычного типа. Воздух для горения берется с помещения, в котором стоит оборудование, поэтому обязательно требуется приточная вентиляция.

Да, как видите, основная разница заключается в типе выводе продуктов сгорания. Если вы желаете сделать отопление дома конвектором, который работают от газа, потребуется определиться со способом отведения дыма. Меньше всего проблем будет во время монтажных работ парапетных моделей, но во время работ в морозы, коаксиал часто замерзает, поэтому заметно прекращение забора воздуха и отведения газов, а это приводит к остановке отопления. Если такая ситуация произойдет в дневное время суток, то в целом не составит труба почистить трубу от наледи, но выйти в мороз ночью затея сомнительная.

Еще одним недостаток является то, что в коаксиал во время сильного ветра начинает попадать очень большой поток воздуха, который способен задумать пламя горелки. С таким явлением вполне успешно помогает справляться установка защитной решетки, но если же ветер будет дуть сильно и в определенном направлении, то он сможет погасить пламя.

С монтажными работами газового конвектора каминного типа будет больше проблем, так как потребуется устанавливать дымоход, чтобы обеспечить приток воздуха для горения. Зато такие устройства будут работать стабильнее и никакой мороз не будет им страшен. Недостаток – если потребуется сделать такое отопления для всего дома и в каждом помещении установить по одному устройству, то потребуется ставить дымоход для каждого, или продумать систему таким образом, чтобы дымоход со множеством каналов находился в центре,  а к нему можно было подключить конвекторы каминного типа. Это не так просто, но хлопот и затрат чуть меньше. В любом случае, отопление дома на таком топливе, как газ, обойдется намного дешевле, нежели использование электрических моделей.

Конвективная теплопередача

Тепловая энергия, передаваемая между поверхностью и движущейся жидкостью с разными температурами, известна как конвекция .

На самом деле это комбинация диффузии и объемного движения молекул. Вблизи поверхности скорость жидкости мала, и преобладает диффузия. На расстоянии от поверхности объемное движение усиливает влияние и преобладает.

Конвективная теплопередача может быть

  • принудительной или вспомогательной конвекцией
  • естественной или свободной конвекцией

принудительной или вспомогательной конвекцией

принудительной конвекцией, когда поток жидкости индуцируется внешняя сила, такая как насос, вентилятор или смеситель.

Естественная или свободная конвекция

Естественная конвекция вызывается силами плавучести из-за разницы плотности, вызванной колебаниями температуры в жидкости. При нагревании изменение плотности в пограничном слое заставит жидкость подниматься и заменяться более холодной жидкостью, которая также будет нагреваться и подниматься. Это продолжающееся явление называется свободной или естественной конвекцией.

Процессы кипения или конденсации также называют конвективными процессами теплопередачи.

  • Теплопередача на единицу поверхности посредством конвекции была впервые описана Ньютоном, и это соотношение известно как закон охлаждения Ньютона .

Уравнение конвекции может быть выражено как:

q = h c A dT (1)

, где

q = теплопередача за единицу времени (Вт, БТЕ / ч)

A = площадь теплообмена поверхности (м 2 , футы 2 )

h c = коэффициент конвективной теплопередачи процесса ( Вт / (м 2o C, Btu / (фут 2 h o F) )

dT = разница температур между поверхностью и основной жидкостью ( o C, F)

Коэффициенты теплопередачи — единицы

Коэффициенты конвективной теплопередачи

Коэффициенты конвективной теплопередачи — ч c — в зависимости от t тип среды, будь то газ или жидкость, и свойства потока, такие как скорость, вязкость и другие свойства, зависящие от потока и температуры.

Типичные коэффициенты конвективной теплопередачи для некоторых распространенных применений потока жидкости:

  • Свободная конвекция — воздух, газы и сухие пары: 0,5 — 1000 (Вт / (м 2 K))
  • Свободная конвекция — вода и жидкости: 50 — 3000 (Вт / (м 2 K))
  • Принудительная конвекция — воздух, газы и сухие пары: 10 — 1000 (Вт / (м 2 K))
  • Принудительная конвекция — вода и жидкости: 50 — 10000 (Вт / (м 2 K))
  • Принудительная конвекция — жидкие металлы: 5000 — 40000 (Вт / (м 2 K))
  • Кипящая вода: 3.000 — 100,000 (Вт / (м 2 K))
  • Водяной пар конденсата: 5.000 — 100,000 (Вт / (м 2 K))
Коэффициент конвективной теплопередачи для воздуха

Коэффициент конвективной теплопередачи для потока воздуха может быть приблизительно равен

ч c = 10,45 — v + 10 v 1/2 (2)

где

h c = коэффициент теплопередачи (кКал / м 2 ч ° C)

v = относительная скорость между поверхностью объекта и воздухом (м / с)

С

1 ккал / м 2 ч ° С = 1. 16 Вт / м 2 ° C

— (2) можно изменить на

ч cW = 12,12 — 1,16 v + 11,6 v 1/2 (2b)

где

ч cW = коэффициент теплопередачи (Вт / м 2 ° C )

Примечание! — это эмпирическое уравнение, которое может использоваться для скоростей от 2 до 20 м / с .

Пример — конвективная теплопередача

Жидкость течет по плоской поверхности 1 м на 1 м. Температура поверхности 50 o C , температура жидкости 20 o C и коэффициент конвективной теплопередачи 2000 Вт / м 2o С . Конвективный теплообмен между более горячей поверхностью и более холодным воздухом можно рассчитать как

q = (2000 Вт / (м 2o C)) ((1 м) (1 м)) ((50 o C) — (20 o C))

= 60000 (Вт)

= 60 (кВт)

Калькулятор конвективной теплопередачи

Таблица конвективной теплопередачи

В целом Коэффициент теплопередачи

Теплопередачу через поверхность, например стену, можно рассчитать как

q = UA dT (1)

, где

q = теплопередача (Вт (Дж / с), БТЕ / ч)

U = общий коэффициент теплопередачи (Вт / (м 2 K), БТЕ / (фут 2 ч o F) )

A = площадь стены (м 2 , фут 2 )

dT = (t 1 — t 2 )

= разница температур по стене ( o C, o F)

Общий коэффициент теплопередачи для мульти- многослойная стенка, труба или теплообменник — с потоком жидкости с каждой стороны стены — можно рассчитать как

1 / UA = 1 / ч ci A i + Σ (s n / k n A n ) + 1 / ч co A o (2)

где

U = общий коэффициент теплопередачи (Вт / (м 2 K), BTU / (фут 2 h o F) )

k n = теплопроводность материала в слое n (Вт / (м · K ), БТЕ / (час фут ° F) ) 9010 9

h ci, o = внутренняя или внешняя стенка отдельная жидкость конвекция коэффициент теплопередачи (Вт / (м 2 K), Btu / (ft 2 h o F) )

s n = толщина слоя n (м, футы)

Плоская стена с равной площадью во всех слоях — можно упростить до

1 / U = 1 / ч ci + Σ (s n / k n ) + 1 / h co (3)

Теплопроводность — k — для некоторых типичных материалов (не то, чтобы проводимость — это свойство, которое может меняться в зависимости от температуры)

  • Полипропилен PP: 0. 1 — 0,22 Вт / (м · К)
  • Нержавеющая сталь: 16 — 24 Вт / (м · К)
  • Алюминий: 205 — 250 Вт / (м · К)
Преобразовать между Метрические и британские единицы
  • 1 Вт / (м · К) = 0,5779 БТЕ / (фут · ч o F)
  • 1 Вт / (м 2 K) = 0,85984 ккал / (hm 2 o C) = 0,1761 Btu / (ft 2 h o F)

Коэффициент конвективной теплопередачи — h — зависит от

  • тип жидкости — газ или жидкость
  • характеристики потока, такие как скорость
  • другие свойства, зависящие от потока и температуры

Коэффициент конвективной теплопередачи для некоторых распространенных жидкостей:

  • Воздух — от 10 до 100 Вт / м 2 K
  • Вода — 500 до 10 000 Вт / м 2 K

Многослойные стены — Калькулятор теплопередачи

Этот калькулятор можно использовать для расчета общего коэффициента теплопередачи и теплопередачи через многослойную стену. Калькулятор является универсальным и может использоваться для метрических или британских единиц при условии, что единицы используются последовательно.

A — площадь (м 2 , футы 2 )

t 1 — температура 1 ( o C, o F)

t 2 — температура 2 ( o C, o F)

h ci — коэффициент конвективной теплоотдачи внутри стены (Вт / (м 2 K), Btu / ( футов 2 ч o F) )

с 1 — толщина 1 (м, фут) k 1 — теплопроводность 1 (Вт / (м · K) , БТЕ / (час фут ° F) )

с 2 — толщина 2 (м, фут) k 2 — теплопроводность 2 (Вт / (м · К), БТЕ / (час фут ° F) )

с 3 — толщина 3 (м, фут) k 3 — теплопроводность 3 (Вт / (м · К), БТЕ / (ч · фут · ° F) )

ч co — коэффициент конвективной теплопередачи снаружи стены ( Вт / (м 2 K), Btu / (ft 2 h o F) )

Теплопередача Тепловое сопротивление

Сопротивление теплопередачи банка быть выражено как

R = 1 / U (4)

где

R = сопротивление теплопередаче (м 2 K / W, ft 2 h ° F / Btu)

Стена разделена на участки термического сопротивления, где

  • теплопередача между жидкостью и стенкой равна одному сопротивлению
  • сама стена является одним сопротивлением
  • переносом между стенкой и t Вторая жидкость — это термическое сопротивление.

Поверхностные покрытия или слои «обожженного» продукта добавляют дополнительное термическое сопротивление стенкам, снижая общий коэффициент теплопередачи.

Некоторые типичные сопротивления теплопередаче
  • статический слой воздуха, 40 мм (1,57 дюйма) : R = 0,18 м 2 K / W
  • внутреннее сопротивление теплопередаче, горизонтальный ток: R = 0,13 м 2 K / W
  • внешнее сопротивление теплопередаче, горизонтальный ток: R = 0,04 м 2 K / W
  • внутреннее сопротивление теплопередаче, тепловой ток снизу вверх: R = 0,10 м 2 K / W
  • внешнее сопротивление теплопередаче, тепловой ток сверху вниз: R = 0.17 м 2 K / W

Пример — передача тепла в теплообменнике воздух-воздух

Пластинчатый теплообменник воздух-воздух площадью 2 м 2 и толщиной стенки 0,1 мм может быть изготовлен из полипропилен PP, алюминий или нержавеющая сталь.

Коэффициент конвекции теплопередачи для воздуха составляет 50 Вт / м 2 K . Внутренняя температура в теплообменнике составляет 100 o C , а наружная температура 20 o C .

Общий коэффициент теплопередачи U на единицу площади можно рассчитать, изменив (3) на

U = 1 / (1 / h ci + s / k + 1 / h co ) (3b)

Общий коэффициент теплопередачи для теплообменника из полипропилена

  • с теплопроводностью 0,1 Вт / м · К составляет

U PP = 1 / (1 / ( 50 Вт / м 2 K ) + ( 0.1 мм ) (10 -3 м / мм) / ( 0,1 Вт / м · К ) + 1/ ( 50 Вт / м 2 K ) )

= 24,4 Вт / м 2 K

Теплопередача

q = ( 24,4 Вт / м 2 K ) ( 2 м 2 ) (( 100 o C ) — (2 0 o C ))

= 3904 W

= 3. 9 кВт

  • нержавеющая сталь с теплопроводностью 16 Вт / м · К :

U SS = 1 / (1 / ( 50 Вт / м 2 K ) + ( 0,1 мм ) (10 -3 м / мм) / ( 16 Вт / м · K ) + 1/ ( 50 Вт / м 2 K ) )

= 25 Вт / м 2 K

Теплопередача

q = ( 25 Вт / м 2 K ) ( 2 м 2 ) (( 100 o C ) — (2 0 o C ))

= 4000 Вт

= 4 кВт

  • алюминий с теплопроводностью 205 Вт / мK :

U Al = 1 / (1 / ( 50 Вт / м 2 K 90 049) + ( 0.1 мм ) (10 -3 м / мм) / ( 205 Вт / м · K ) + 1/ ( 50 Вт / м 2 K ) )

= 25 Вт / м 2 K

Теплопередача

q = ( 25 Вт / м 2 K ) ( 2 м 2 ) (( 100 o C ) — (2 0 o C ))

= 4000 Вт

= 4 кВт

  • 1 Вт / (м 2 К) = 0. 85984 ккал / (hm 2 o C) = 0,1761 Btu / (ft 2 h o F)

Типичные общие коэффициенты теплопередачи

  • Свободный конвекционный газ — Свободный конвекционный газ: U = 1-2 Вт / м 2 K (типичное окно, воздух из помещения через стекло)
  • Газ без конвекции — принудительная жидкая (проточная) вода: U = 5-15 Вт / м 2 K (типовые радиаторы центрального отопления)
  • Свободная конвекция газа — конденсационный пар Вода: U = 5-20 Вт / м 2 K (типичные паровые радиаторы)
  • Принудительная конвекция (проточная) Газ — Свободная конвекция Газ: U = 3-10 Вт / м 2 K (пароперегреватели)
  • Принудительная конвекция (проточный) Газ — Принудительная конвекция Газ: U = 10-30 Вт / м 2 K (газы теплообменника)
  • Принудительная конвекция (проточный) Газ — Принудительная жидкость (проточная) вода: U = 10-50 Вт / м 2 9 0069 K (газовые охладители)
  • Принудительная конвекция (проточный) Газ — конденсирующийся пар Вода: U = 10-50 Вт / м 2 K (воздухонагреватели)
  • Безжидкостная конвекция — принудительная конвекция Газ: U = 10-50 Вт / м 2 K (газовый котел)
  • Жидкостная конвекция без жидкости — Свободная конвекция Жидкость: U = 25-500 Вт / м 2 K (масляная баня для отопления)
  • Без жидкости Конвекция — принудительный ток жидкости (вода): U = 50 — 100 Вт / м 2 K (нагревательный змеевик в воде в резервуаре, вода без рулевого управления), 500-2000 Вт / м 2 K (нагревательный змеевик в резервуаре для воды) , вода с рулевым управлением)
  • Конвекция без жидкости — Конденсирующийся пар воды: U = 300 — 1000 Вт / м 2 K (паровые рубашки вокруг сосудов с мешалками, вода), 150 — 500 Вт / м 2 K (другие жидкости)
  • Принудительная жидкость (текущая) вода — газ свободной конвекции: U = 10-40 Вт / м 2 K (горючий ст. камера + излучение)
  • Принудительная жидкость (текущая) вода — Свободная конвекция Жидкость: U = 500 — 1500 Вт / м 2 K (охлаждающий змеевик — перемешиваемый)
  • Принудительная жидкость (текущая) вода — Принудительная жидкость (проточная вода): U = 900 — 2500 Вт / м 2 K (теплообменник вода / вода)
  • Принудительная жидкая (проточная) вода — Конденсирующий пар водяной: U = 1000 — 4000 Вт / м 2 K (конденсаторы водяного пара)
  • Кипящая жидкая вода — свободная конвекция, газ: U = 10-40 Вт / м 2 K (паровой котел + излучение)
  • Кипящая жидкая вода — принудительное течение жидкости (вода) : U = 300 — 1000 Вт / м 2 K (испарение холодильников или охладителей рассола)
  • Кипящая жидкая вода — Конденсирующий пар воды: U = 1500 — 6000 Вт / м 2 K (испарители пар / вода)

КОНВЕКЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕН

В этой статье рассматривается передача тепловой энергии при движении жидкости, и, как следствие, такая передача зависит от природы потока. Передача тепла за счет конвекции может происходить в движущейся текучей среде из одной области в другую или к твердой поверхности, которая может иметь форму канала, в котором текучая среда течет или по которому течет текучая среда. Конвективная теплопередача может происходить в пограничных слоях, то есть к потоку или от потока над поверхностью в виде пограничного слоя, а также внутри каналов, где поток может быть подобным пограничному слою или полностью развитым. Это также может происходить в более сложных потоках, таких как потоки, которые разделены, например, в задней области цилиндра в поперечном потоке или вблизи выступа , обращенного назад, .Поток может вызывать конвективную теплопередачу, когда он приводится в действие насосом и называется принудительной конвекцией, или возникать как следствие температурных градиентов и плавучести, называемых естественной или свободной конвекцией. Примеры приведены ниже в этом разделе и показаны на рисунке 1, чтобы облегчить введение в терминологию и концепции.

Рис. 1. Профили скорости и температуры в пограничном слое и отрывных потоках.

Пограничный слой на плоской поверхности рисунка 1 имеет обычное изменение скорости от нуля на поверхности до максимума в набегающем потоке.В этом случае предполагается, что поверхность имеет более высокую температуру, чем набегающий поток, и конечный градиент на стенке подтверждает передачу тепла от поверхности к потоку. Также возможно иметь нулевой градиент температуры на стенке, чтобы не было передачи тепла к поверхности или от поверхности, но передачи тепла внутри потока. Если поток ламинарный, передача тепла от поверхности определяется законом потока Фурье, то есть:

где q — скорость теплопередачи на единицу площади поверхности, λ — теплопроводность, T — температура, а y — расстояние, измеренное от поверхности.То же самое выражение применимо к любой области потока, а также в случае адиабатической стенки, где нулевой градиент температуры означает нулевую теплопередачу. Следует отметить, что поверхность может быть горизонтальной, как показано, с воздушным потоком, приводимым в движение вентилятором, или потоком жидкости с помощью насоса, и что она также может быть вертикальной, с плавучестью, обеспечивающей движущую силу для потока. В последнем случае скорость набегающего потока будет равна нулю, так что соответствующий профиль будет иметь нулевые значения у стенки и вдали от нее.

Обратный этап на рисунке 1 приводит к более сложному потоку, и несколько пограничных слоев могут быть идентифицированы в потоке как следствие разделения и повторного присоединения. Детали потоков этого типа недостаточно изучены, поэтому трудно идентифицировать характеристики пограничных слоев, и можно представить себе, что формы профилей скорости и температуры — и, следовательно, локальной теплопередачи внутри жидкости и к стене — будет значительно отличаться от одного места к другому.Известно, например, что скорость теплопередачи может стать высокой в ​​месте присоединения восходящего потока к поверхности ступеньки, как это также имеет место на передней кромке цилиндра в поперечном потоке, но подробные механизмы остаются не до конца понятыми, и исследования продолжаются.

Хорошо известно, что даже сравнительно простые геометрические конфигурации, такие как показанные на фиг. 1, могут приводить к скоростям теплопередачи, которые значительно варьируются в зависимости от природы потока и поверхности.При ламинарных потоках передача тепла к стене или от стены зависит от расстояния от передней кромки пограничного слоя. Турбулентные потоки могут вызвать скорость передачи тепла, которая намного больше, чем у ламинарных потоков, и вызвана тем, как турбулентные колебания увеличивают перемешивание; они также влияют на теплопередачу к поверхности и от поверхности, особенно там, где свободный поток жидкости может проникать к стене даже на короткие периоды времени. Природа поверхности, например степень или тип шероховатости, обычно влияет на теплопередачу к ней или от нее, а в некоторых случаях в значительной степени.Поэтому теплопередачу на стене удобно представить выражением

где

снова представляет собой скорость передачи тепла от стены, на этот раз по единице площади поверхности; разница температур относится к разнице между стеной и набегающим потоком; и α — «коэффициент теплопередачи», который является характеристикой потока и поверхности. Эти две температуры могут изменяться в зависимости от x-расстояния, и может быть сложно определить температуру набегающего потока в некоторых сложных потоках.Типичные значения α показаны в таблице 1, из которой видно, что увеличение скорости обычно приводит к увеличению коэффициента теплопередачи, так что α является наименьшим при естественной конвекции и увеличивается до 100 и более на плоских поверхностях с большей скоростью воздуха. чем около 50 м / с. Коэффициент теплопередачи значительно выше при жидкостных потоках и снова больше при двухфазных потоках.

Таблица 1. Типовые значения коэффициента теплопередачи

Тип потока α (Вт / м 2 K)
Принудительная конвекция; низкоскоростной поток воздуха над поверхностью 10
Принудительная конвекция; умеренная скорость потока воздуха над поверхностью 100
Принудительная конвекция; умеренная скорость перетока воздуха через цилиндр 200
Принудительная конвекция; умеренный поток воды в трубе 3000
Принудительная конвекция; кипяток в трубе 50,000
Свободная конвекция; вертикальная пластина на воздухе с перепадом температур 30 ° C 5

Следует отметить, что приведенные выше уравнения выражены через размерные параметры.И легко видеть, что комбинация этих двух параметров приведет к безразмерному параметру αx / λ, где α — коэффициент теплопередачи стенки, x — характерное расстояние, а λ — проводимость жидкости; это число известно как число Нуссельта и может быть легко получено из анализа размерностей, а также из безразмерных форм уравнений сохранения, как предлагается в следующем разделе. Коэффициенты теплопередачи в таблице 1 могут быть выражены через это безразмерное число, число Нуссельта, а аналитические и корреляционные уравнения обычно выражаются таким образом, как будет показано ниже.

Также полезно отметить, что коэффициент теплопередачи и число Нуссельта могут использоваться для обозначения локальных значений в местоположении x на поверхности или интегрированного значения до местоположения x.

Концепция размерного анализа порождает несколько безразмерных групп, на которые будет сделана ссылка в этом разделе, и их удобно ввести здесь. Помимо числа Нуссельта, будет сделана ссылка на следующее:

/ Re = ρ

Число Прандтля Pr = ηc p / λ
Число Рейнольдса η
Число Нуссельта Nu = αx / λ
Число Стентона St = α / ρc p u = Nu / Pr Re
Число Грасгофа Gr = gβ48 (T w — T ∞ ) y 3 / ν 2

Число Прандтля зависит только от свойств жидкости; число Рейнольдса представляет собой отношение сил инерции к силам вязкости и имеет значение для всего предмета механики жидкости и конвекции; число Стентона представляет собой комбинацию Nu, Pr и Re; а число Грасгофа характеризует естественную конвекцию с ускорением свободного падения g и β, коэффициентом объемного теплового расширения, и представляет собой комбинацию инерционного, u 2 / y, фрикционного, vu / y 2 , и плавучести, gβΔT, масштаб.Эти безразмерные группы могут быть получены из уравнений сохранения и удобны для представления результатов и корреляций экспериментальных данных.

Полезно изучить уравнения, которые представляют собой сохранение массы, импульса и энергии, и они записаны ниже для прямоугольных декартовых координат с упрощением однородных свойств.

где

Три уравнения, представляющие сохранение количества движения, и уравнение, представляющее сохранение энергии, имеют одинаковую форму с членами в левой части, представляющими конвекцию количества движения и энергии.Следует отметить, что эти конвективные члены являются нелинейными, что создает трудности для любого решения, и что существует четыре отдельных части конвекции, соответствующие изменениям во времени и в трех направлениях. Члены в правой части представляют собой несколько упрощенные формы терминов, представляющих перенос диффузией вместе с силами давления и источниками или стоками тепловой энергии. Можно добавить термины для плавучести, как показано в следующем разделе. Легко видеть, что безразмерные скорости и расстояния в уравнениях количества движения приведут к обратному отношению числа Рейнольдса, а также температур, скоростей и расстояний в уравнении энергии к безразмерной группе, которая включает (1 / PrRe).В следующих разделах эти уравнения будут упрощены, чтобы иметь дело с конвективной теплопередачей в установившихся ламинарных потоках принудительной и свободной конвекции.

Из вышеизложенного очевидно, что существует некоторое сходство между уравнениями сохранения количества движения и тепловой энергии, так что решения этих двух уравнений будут иметь аналогичный вид, когда исходные члены равны нулю, число Прандтля равно единице и решения представлены в безразмерной форме. Наличие плавучести часто ограничивается вторым уравнением импульса, в которое должен быть добавлен дополнительный член вида ρβg (T w — T ∞ ).Если поверхность, вызывающая разность температур — и, следовательно, выталкивающая сила — не вертикальна, необходимо учитывать угол поверхности по отношению к направлению силы тяжести. Это приведет к разрешению сил, так что часть члена плавучести появится в первом уравнении импульса с таковым во втором уравнении, умноженном на синус угла к вертикали. Это приведет к появлению дополнительной безразмерной группы — числа Грасгофа.

В отсутствие членов конвекции уравнение энергии сводится к уравнению теплопроводности, а уравнения количества движения больше не актуальны, если теплопроводность имеет место в неподвижном материале.Возможны многие другие упрощения приведенных выше уравнений, в том числе для двумерных потоков и для потоков в пограничном слое, как будет показано ниже. Кроме того, можно интегрировать уравнения, и в их более простых формах это может иметь некоторые достоинства; например, в интегральных уравнениях импульса и энергии, где зависимая переменная разработана так, чтобы быть представлена ​​в терминах одной независимой переменной и, следовательно, решается простыми численными методами. Могут существовать и более сложные формы, как описано в следующем разделе.

Ламинарные и турбулентные течения

Большинство течений в природе и в инженерном оборудовании происходят при умеренно высоких числах Рейнольдса, поэтому они описываются как турбулентные. Таким образом, свойства потока в любой момент зависят от времени с масштабами, которые варьируются от очень малых, масштаб Колмогорова, до масштабов, соответствующих максимально возможному размеру потока. В комнате, например, масштаб Колмогорова может быть порядка долей 1 мм или менее 1 мс шкалы времени, если скорость порядка 1 м / с, а наибольшая — порядка нескольких метров или более 10 3 больше.Для этого есть два важных следствия: во-первых, скорость передачи тепла от поверхности к потоку будет значительно выше, чем если бы поток был ламинарным при том же числе Рейнольдса; и во-вторых, что уравнения сохранения еще труднее решить, чем для ламинарного потока, поскольку любое численное решение теперь должно учитывать физические и временные масштабы, которые охватывают три порядка величины. Первое означает, что турбулентная конвекция важна, гораздо важнее ламинарной конвекции; во-вторых, уравнения сохранения не могут быть решены в их общей форме, за исключением тех случаев, когда граничные условия позволяют привести их к более простым формам и даже тогда с дополнительными задачами.Этот вывод привел к широкому использованию корреляционных формул, основанных на измерениях, которые, по необходимости, охватывают ограниченные диапазоны расхода. Некоторые примеры представлены и обсуждаются в следующем разделе. Это также привело к широким попыткам решить сложные формы уравнений сохранения с допущениями, которые представляют турбулентные аспекты потока. Следующие параграфы предоставляют введение в этот подход.

Введение усреднения по Рейнольдсу, то есть для переписывания переменных, зависящих от времени, в виде суммы средних и флуктуирующих компонентов, введения новой зависимой переменной в уравнения сохранения и усреднения общего времени приводит к уравнениям вида:

где символы верхнего регистра относятся к усредненным по времени величинам; нижний регистр — к колебаниям величин с q, колебаниям температуры; κ равно λ / ρc p ; и черты верхнего предела — к среднему умножению двух величин, зависящих от времени.Уравнения были записаны в тензорной записи, чтобы сделать их более компактными, но сходство между уравнениями сохранения усредненного по времени импульса и энергии все еще очевидно. Термины, представляющие конвекцию, по-прежнему находятся в левой части, а диффузия — в правой. Теперь в каждом уравнении есть два члена диффузии: один представляет ламинарную диффузию; и второй, корреляции между флуктуирующими компонентами. По-прежнему существует пять уравнений, но теперь имеется более пяти неизвестных, поскольку корреляции подразумевают шесть членов в уравнениях импульса и три в уравнении энергии.Таким образом, очевидно, что эти уравнения не представляют собой разрешимую систему без предположений, которые сокращают количество неизвестных до количества уравнений. Для этого требуются модели для напряжений Рейнольдса,

, и турбулентные тепловые потоки,

, и, как показано в другом месте, можно вывести уравнения для этих корреляционных членов. Каждая порождает корреляции более высокого порядка, так что необходимо принять решение о закрытии, а также о введении модельных предположений.

По аналогии с ламинарным потоком можно записать турбулентный поток количества движения и турбулентный поток тепла в виде

или

а безразмерные формы этих выражений с турбулентной вязкостью и турбулентной проводимостью приведут к числам Рейнольдса и Прандтля, где последнее часто называют турбулентным числом Прандтля.

Турбулентное число Прандтля нашло широкое применение в инженерных расчетах конвективного теплообмена, поскольку ему можно присвоить значение единицы. Поскольку ламинарное число Прандтля для воздуха также близко к единице — и часто имеет второстепенное значение, поскольку ламинарная диффузия менее важна, чем турбулентная диффузия — уравнения импульса и энергии могут быть решены один раз для потоков, в которых нет градиента давления и источников или стоков энергии. , с аналогичными результатами, если представлены в безразмерных переменных.Этот подход применим к сложным потокам со сложными численными решениями и к простым потокам в пограничном слое, как будет показано ниже.

При допущении высоких чисел Рейнольдса и локального равновесия, так что влияние одной области потока на другую невелико, можно упростить усредненные по времени уравнения сохранения. Предполагая, что двумерные пограничные слои дают:

а также

где C μ и C t — константы, l m — длина смешения для передачи импульса, а l t — соответствующая длина смешения для передачи тепловой энергии.Эти уравнения сводятся к уравнениям для эффективной вязкости и числа Прандтля, упомянутым выше, когда масштабы и константы длины равны, а число Прандтля равно единице. Таким образом, концепция турбулентного числа Прандтля ограничена в своей применимости, как и концепция турбулентной вязкости. Но диапазон допустимости инженерных расчетов остается большим.

Как будет показано ниже, точное решение уравнения, соответствующего ламинарному обтеканию плоской пластины, где температуры набегающего потока и пластины постоянны и различны, может быть записано как:

который признает важность чисел Рейнольдса и Прандтля и выражает коэффициент теплопередачи через число Нуссельта.Соответствующий результат для ламинарной естественной конвекции над вертикальной пластиной с аналогичными граничными условиями:

В турбулентных потоках приближения, соответствующие плоской пластине с принудительной конвекцией, привели к выражениям аналогичной формы; например,

Как следствие, уравнения, используемые для представления измерений сложных потоков, где аналитические и численные решения либо невозможны, либо подвержены большой неточности, как правило, имеют такую ​​форму. Несколько примеров приведены в следующих разделах.

Принудительная конвективная теплопередача

Принудительная конвекция связана с потоками, которые приводятся в движение насосами и вентиляторами или движением тела через неподвижные жидкости, как в самолете или корабле, где каждый имеет в своем распоряжении значительные средства, чтобы заставить его двигаться. Это отличается от естественной конвекции, когда гравитация обеспечивает движущую силу, хотя возможна смешанная конвекция в ограниченном количестве потоков, где давление и гравитационные силы имеют одинаковый порядок величины, то есть Gr / Re 2 приблизительно равна единице.Все точные аналитические решения представляют собой упрощенные формы уравнений сохранения и для ламинарных потоков. Некоторые другие случаи обсуждаются ниже.

Теплопередача пограничного слоя обсуждается в соответствующей статье.

Теплообмен между параллельными пластинами

Поток между плоскими пластинами изображен на рисунке 2. Он включает пограничные слои, которые начинаются на передних кромках, растут на каждой из двух поверхностей, пока потенциальная сердцевина не сужается до нуля, а затем продолжается в направлении полностью развитого ламинарного потока, после чего все градиенты в направлении x становятся равными нулю.

Рис. 2. Ламинарный поток между плоскими пластинами.

Пограничные слои представлены уравнениями пограничного слоя

с граничными условиями

а также

соответствует граничному условию симметрии.

В начальной области, где пограничные слои разделены областью потенциального потока, анализ аналогичен анализу пограничного слоя с условием набегающего потока, представленным потенциальной внутренней скоростью и температурой.Далее по потоку поток становится полностью развитым, так что профили скорости и температуры не изменятся, если они выражены в соответствующих безразмерных величинах. Это будет продемонстрировано ниже. Однако полезно отметить, что есть промежуточная область, где нет потенциального ядра и где поток не полностью развит. В этой области необходимо решить уравнения сохранения массы и импульса, чтобы каждое из них было удовлетворено; это может потребовать интерактивного подхода.

В случае полностью развитого ламинарного течения конвективные члены обращаются в ноль, поскольку

и уравнение импульса принимает вид

с постоянным градиентом давления, так что интегрирование с граничными условиями на стенке и на линии симметрии приводит к:

и, если одна пластина движется параллельно другой с постоянной скоростью U, решение принимает вид

В первом случае температурный профиль имеет простой вид

Это также может быть осложнено рассмотрением эффекта вязкого нагрева, который требует добавления члена формы в уравнение сохранения энергии и — для нулевого градиента давления и постоянных значений U — приводит к

а также

Этот последний результат следует рассматривать как приближение, поскольку не учитывались возможные изменения транспортных и термодинамических свойств.

Профиль скорости для полностью развитого ламинарного потока представляет собой параболу, когда стенки неподвижны, при условии, что свойства жидкости постоянны, а скорости низкие; он линейный, когда градиент давления отсутствует и стенка движется с постоянной скоростью по отношению к другой. Действие движущейся поверхности заключается в создании силы, которая может действовать против или вместе с силой давления. Это отражается на скоростях, которые могут быть как в положительном, так и в отрицательном направлении.Температурный профиль выражается в терминах температур поверхности, и ясно, что объемная температура будет увеличиваться, если одна или обе стенки будут более горячими, чем начальная температура, T 1 Таким образом, температурный профиль часто выражается в терминах начальная температура и среднемассовая температура, определяемые как:

где U — объемная скорость, как обсуждается ниже.

Течение и теплопередача в трубе имеют гораздо большее значение, чем между параллельными пластинами, поскольку они чаще встречаются в инженерной практике.Поток снова может начинаться на передней кромке, так что решения ламинарного потока могут быть получены, как для параллельных пластин, но на этот раз в уравнениях в цилиндрических координатах и ​​без перспективы движения одной поверхности относительно другой. При малых значениях числа Рейнольдса ρud / η длина, необходимая для достижения полностью развитого ламинарного потока, может быть определена выражением

и возникает из асимптотических решений уравнений пограничного слоя. Поток в трубах малого диаметра, необходимый для достижения этих малых чисел Рейнольдса, исходит из труб большего диаметра или из напорных камер, поэтому вполне вероятно, что пограничные слои не берут свое начало в начале трубы малого диаметра.Скорее, это внезапное сжатие, для которого поток правильно представлен более полными формами уравнений сохранения, чем их формы пограничного слоя. Действительно, поток может разделиться внутри трубы с более быстрым движением к полностью развитым условиям, чем это было бы в случае с прикрепленными пограничными слоями.

Область развивающегося потока во многих случаях может быть небольшой, и полностью развитый поток обычно более важен, чем развивающийся поток. Уравнения сохранения в цилиндрических координатах могут быть сокращены для полностью развитого потока так же, как между двумя пластинами, с результатом

и это с граничными условиями

а также

может быть интегрирован для получения

где

Коэффициент трения Муди, определяемый как f = — (dp / dx) / 0.5ρU 2 / D, обычно представляет собой взаимосвязь между падением давления, геометрией и свойствами жидкости и может быть выведен для полностью развитого ламинарного потока в трубе как:

который иногда называют законом трения Хагена-Пуазейля.

Уравнение энергии в цилиндрических координатах имеет вид

и это уменьшает для полностью развитого потока до

где T b — объемная температура, определяемая как:

Интегрирование дифференциального уравнения с граничными условиями, соответствующими симметрии на центральной линии, и частному условию, что

приводит к

и чтобы

которое не зависит от чисел Рейнольдса и Прандтля, если течение остается ламинарным.Итерационное решение требуется для решения уравнений для граничного условия

и приводит к результату

что показывает, что решение зависит от теплового граничного условия.

Конечно, поток будет оставаться ламинарным только в том случае, если число Рейнольдса меньше примерно 2 300 или до больших значений, если оно настолько свободно от возмущений, что они не могут распространяться и вызывать турбулентный поток, как это обычно бывает. Если турбулентный поток возникает из-за того, что возмущение распространилось и привело к колебаниям во всех областях потока, кроме вязкого подслоя, природа потока и проблемы изменились.Можно вернуться к рассмотрению последствий начала перехода и переходной области в контексте пограничного слоя во входной области трубы. Но общий эффект будет заключаться в быстром возникновении турбулентного потока, так что акцент снова, и даже больше, на области полностью развитого потока, который теперь соответствует турбулентному, а не ламинарному потоку. Можно сохранить поток в пограничном слое, возможно, с переходными областями на некотором расстоянии, но общая форма слегка закругленной геометрии входа обычно приводит к полностью развитому турбулентному потоку на расстояниях не более 50 диаметров и на более коротких расстояниях. расстояния для инженерных расчетов.

Корреляция измерений падения давления с объемной скоростью и диаметром привела к тому, что Блазиус предложил выражение

что вместе с ламинарным потоком является результатом

позволяют нарисовать рис. 3, на котором результат ламинарного потока может быть расширен до чисел Рейнольдса, значительно превышающих 10 5 , при условии, что учтены характер начальных условий, гладкая поверхность трубы и отсутствие помех любого рода.Чаще всего ламинарный поток не существует при числах Рейнольдса, превышающих 2300, выше которых происходит переход к кривой турбулентного потока с переходной областью, которая может быть короткой или длинной в зависимости от природы возмущений. Таким образом, коэффициент трения зависит от числа Рейнольдса, в зависимости от диаметра трубы, а также от ламинарных, переходных и турбулентных областей, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Изменение коэффициента трения в зависимости от числа Рейнольдса для потока в трубе.

Коэффициент поверхностного трения (или коэффициент трения Фаннинга) связан с коэффициентом трения соотношением

так что коэффициент турбулентного потока можно выразить как

с константами, вытекающими из рассмотрения экспериментальных результатов, и поэтому имеют ограниченную применимость. На рис. 3 показано изменение коэффициента трения в зависимости от числа Рейнольдса в зависимости от диаметра трубы, а также различие между коэффициентами для ламинарного и турбулентного течения. При высоком числе Рейнольдса результаты становятся менее определенными, о чем свидетельствуют две линии, но график подходит для многих целей проектирования.

Рассмотрение аналогичной природы уравнений, представляющих сохранение импульса и энергии, подразумевает, что изменение числа Нуссельта также будет зависеть от числа Рейнольдса, вместе с числом Прандтля, где оно отличается от единицы. Пример выражения, описывающего изменение числа Нуссельта в зависимости от турбулентного потока в трубе:

Как и в случае с рис. 3, коэффициентом трения и коэффициентом поверхностного трения, неопределенность возрастает при высоких числах Рейнольдса, а также в переходной области, где разница между результатами для ламинарных и турбулентных потоков сильно расходится.Это может происходить в диапазоне чисел Рейнольдса в зависимости от начальных и граничных условий. Следует отметить, что шероховатые поверхности увеличивают значения коэффициента поверхностного трения и числа Нуссельта. Соответствующие расчеты могут быть выполнены для воздуховодов некруглого сечения с гидравлическим диаметром, заменяющим геометрический диаметр.

Теплопередача: теплопроводность, конвекция, излучение

Этот веб-сайт использует файлы cookie, чтобы вы могли максимально эффективно использовать наш веб-сайт.политика конфиденциальности

ОК

Логотип Wisc-Online

Переключить навигацию

  • Выучить
  • Игры

    • Играть в игры
    • Сборка игр
  • Курсы
  • Библиотека изображений