Коэффициенты конвективной теплоотдачи

Обзор

Конвективная теплопередача – это процесс теплообмена между твердой поверхностью и движущейся жидкостью (жидкостью или газом). Скорость этого процесса определяется законом Ньютона охлаждения и зависит от свойств жидкости, режима потока (ламинарного или турбулентного), геометрии поверхности и скорости потока.

Ключевые формулы

Закон Ньютона охлаждения рассчитывает общую скорость теплопередачи.

Коэффициент конвекции (h) часто определяется из эмпирических корреляций, включающих безразмерные числа, такие как число Нуссельта (Nu), число Рейнольдса (Re) и число Прандтля (Pr). Общая форма для вынужденной конвекции над плоской пластиной:

$Nu = C \cdot Re^m \cdot Pr^n$

Где h = (Nu * k) / L, при этом k – теплопроводность жидкости, а L – характерная длина.

Переменные

Типичные коэффициенты конвекции

Значение h варьируется в огромных пределах. Используйте их как грубые оценки порядка величины для начального проектирования.

Вынужденная и естественная конвекция

Вынужденная конвекция возникает, когда поток жидкости создается внешней силой, например насосом, вентилятором или миксером. Естественная или свободная конвекция вызывается силами плавучести, обусловленными разностью плотностей, возникающей из-за перепадов температуры в жидкости. Теплопередача через конвекцию с единицы поверхности впервые была описана Ньютоном, и это соотношение известно как закон охлаждения Ньютона.

Пример - Конвективный теплообмен

Для наружной стены с площадью поверхности 60 м², коэффициентом конвекции 8 Вт/(м²·К) и перепадом температуры 12 К между поверхностью стены и окружающим воздухом:

$Q = h A \Delta T = 8 \times 60 \times 12 = 5760 \text{ W}$

Скорость теплопередачи составляет, следовательно, 5,76 кВт от более теплой поверхности к более холодному воздуху. Это же соотношение применимо к охлаждающим змеевикам, нагретым пластинам, технологическим емкостям и поверхностям труб, когда известен репрезентативный коэффициент конвекции.

Преобразователь единиц

Диаграмма коэффициента теплообмена при воздушном потоке

Для воздушного потока исходная страница дает эмпирическое приближение:

$h_{c,W} = 1.16(10.45 - v + 10v^{1/2})$

где $v$ — относительная скорость между поверхностью объекта и воздухом в м/с. Уравнение является эмпирическим и приблизительно применимо для скоростей от 2 до 20 м/с.

Диаграмма коэффициента конвективного теплообмена

Оригинальное изображение convective_heat_transfer_chart.png представлено ниже в виде интерактивных данных. Поскольку исходный график является диаграммой диапазонов, каждый процесс отображен с нижней и верхней границами коэффициента.

Восстановленные исходные таблицы

Следующие таблицы восстановлены из исходной страницы для сохранения полных справочных данных. Кэшированная исходная страница содержит общие таблицы поиска/макета без инженерных строк; основные данные по конвекции сохранены в таблицах коэффициентов и интерактивном графике выше.

Исходные изображения

Следующие исходные изображения сохранены, чтобы не потерять визуальный справочный материал. Когда изображение содержит график или табличные данные, извлечённые значения представлены в таблицах страницы, калькуляторах или интерактивных графиках; остальные изображения сохранены как визуальные исходные ссылки.

Инженерные заметки

• Закон охлаждения Ньютона — это определение, а не предсказательный закон. Сложная часть любого анализа — определение подходящего значения h.
• Режим потока имеет решающее значение. Турбулентный поток, как правило, даёт значительно более высокие значения h, чем ламинарный.
• Свойства жидкости (плотность, вязкость, удельная теплоёмкость, теплопроводность) зависят от температуры. Корреляции часто используют свойства, рассчитанные при температуре плёнки — среднем арифметическом температуры поверхности и температуры невозмущённого потока.
• Шероховатость поверхности, ориентация и развитие пограничного слоя существенно влияют на производительность.
• Фазовый переход (кипение, конденсация) резко увеличивает коэффициенты теплоотдачи и требует специализированных корреляций.

Источники

• Исходный источник: Теплообмен — Конвекция