Интенсивность конвективного теплообмена

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение                                                                                                                   3

1 КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН                                                                  4

2 СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ                                                                     6

3 КОНВЕКТИВНЫЕ ОТОПИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ                                         8

    3.1 Радиаторы                                                                                                      8

    3.2 Конвекторы                                                                                               

4 ИНТЕНСИВНОСТЬ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА                     11

Заключение                                                                                                            14

Библиографический список                                                                                 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии  от более горячего тела к более  холодному либо непосредственно (при  контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной  системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления  термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго  закона термодинамики

Всего существует три простых (элементарных) вида передачи тепла:

- Теплопроводность

- Конвекция

- Тепловое излучение

В данной работе рассматривается  передача тепла конвекцией в системах теплоснабжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

    Передача теплоты конвекцией осуществляется перемещением в пространстве неравномерно нагретых объемов жидкости или газов. В дальнейшем изложении обе среды объединены одним наименованием — жидкость. Обычно при инженерных расчетах определяется конвективный теплообмен между жидкостью и твердой стенкой, называемый теплоотдачей. Согласно закону Ньютона—Рихмана, тепловой поток Q от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена и разности температур между температурой твердой стенки t_с и температурой жидкости t_ж: 

 

Q=α∙F∙(t_с-t_ж)                                                       (1)

 

Главная трудность  расчета заключается в определении  коэффициента теплоотдачи α, зависящего от ряда факторов: физических свойств омывающей поверхность жидкости (плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности), формы и размеров поверхности, природы возникновения движения среды, скорости движения.

По природе возникновения  различают два вида движения —  свободное и вынужденное. Свободное движение происходит вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости, находящейся в поле действия сил тяжести; оно называется также естественной конвекцией и зависит от рода жидкости, разности температур, объема пространства, в котором протекает процесс.

Конвекция может  быть естественной и вынужденной.

Вынужденное движение возникает под действием посторонних  побудителей (насоса, вентилятора, ветра). В общем случае наряду с вынужденным  движением одновременно может развиваться и свободное. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур в отдельных точках жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.

Движение жидкости может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном режиме частицы жидкости движутся послойно, не перемешиваясь. Турбулентный режим характеризуется непрерывным перемешиванием всех

слоев жидкости. Переход  ламинарного режима в турбулентный определяется

значением безразмерного  комплекса, называемого числом Рейнольдса:

  ,                                                            (2)

 

где          w – скорость движения жидкости;

                ν — коэффициент кинематической вязкости¹; 

                l — характерный размер канала или обтекаемой стенки.

При любом режиме движения частицы жидкости, непосредственно  прилегающие к твердой поверхности, как бы прилипают к ней. В результате вблизи обтекаемой поверхности вследствие действия сил вязкости образуется тонкий слой заторможенной жидкости, в пределах которого скорость изменяется от нуля на поверхности тела до скорости невозмущенного потока (вдали от тела). Этот слой заторможенной жидкости получил название гидродинамического пограничного слоя. Толщина этого слоя возрастает вдоль по потоку, так как по мере движения влияние вязкости распространяется все больше на невозмущенный поток. Однако и в случае турбулентного пограничного слоя непосредственно у стенки имеется очень тонкий слой жидкости, движение в котором носит ламинарный характер. Этот слой называется вязким, или ламинарным, подслоем.

Аналогично понятию  гидродинамического слоя существует понятие  теплового пограничного слоя — прилегающей к твердой поверхности области, в которой температура жидкости изменяется от температуры стенок t_с до температуры жидкости вдали от тела t_ж. В общем случае толщины гидродинамического и теплового пограничных слоев пропорциональны, а для газов практически равны.

Интенсивность переноса теплоты зависит от режима движения жидкости в пограничном слое. При  турбулентном пограничном слое перенос  теплоты в направлении стенки обусловлен турбулентным перемешиванием жидкости. Однако непосредственно у  стенки, в ламинарном подслое теплота  будет переноситься теплопроводностью. При ламинарном пограничном слое теплота в направлении стенки переносится только теплопроводностью. [1 с.29]

 

2 СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

    Теплоснабжение — система обеспечения теплом зданий и сооружений, предназначенного для обеспечения теплового комфорта для находящихся в них людей или для возможности выполнения технологических норм.

    Система теплоснабжения состоит из следующих функциональных частей:

    - Источник производства тепловой энергии (котельная, ТЭЦ);

    транспортирующие устройства тепловой энергии к помещениям (тепловые сети);

    теплопотребляющие приборы, которые передают тепловую энергию потребителю (радиаторы отопления, калориферы).

Классификация систем теплоснабжения

   Принципиальные схемы систем теплоснабжения по способу подключения к ним систем отопления

    По месту выработки теплоты системы теплоснабжения делятся на:

    - Централизованные (источник производства тепловой энергии работает на теплоснабжение группы зданий и связан транспортными устройствами с приборами потребления тепла);

    - Местные (потребитель и источник теплоснабжения находятся в одном помещении или в непосредственной близости).

    По роду теплоносителя в системе:

    - Водяные;

    - Паровые.

    По способу подключения системы отопления к системе теплоснабжения (рис1):

    - Зависимые (теплоноситель, нагреваемый в теплогенераторе и транспортируемый по тепловым сетям, поступает непосредственно в теплопотребляющие приборы);

    - Независимые (теплоноситель, циркулирующий по тепловым сетям, в теплообменнике нагревает теплоноситель, циркулирующий в системе отопления).

    По способу присоединения системы горячего водоснабжения к системе теплоснабжения:

    - Закрытая (вода на горячее водоснабжение забирается из водопровода и нагревается в теплообменнике сетевой водой);

    - Открытая (вода на горячее водоснабжение забирается непосредственно из тепловой сети)[7]

 

Рисунок 1. Тепловая сеть

 

 

3 КОНВЕКТИВНЫЕ ОТОПИТЕЛЬНЫЕ  ПРИБОРЫ

3.1 Радиаторы

    Одним из основных  отопительных приборов конвективного  типа являются радиаторы.

Радиатор — конвективно-радиационный отопительный прибор, состоящий либо из отдельных колончатых элементов — секций с каналами круглой или эллипсообразной формы, либо из плоских блоков с каналами колончатой или змеевиковой формы.

Типы радиаторов:

- Чугунные

- Алюминиевые

  1) Цельные

  2)Секционные

- Стальные

  1) Стальные панельные

  2) Стальные секционные

  3) Стальные трубчатые

- Масляные радиаторы

 

    Стальные радиаторы.

    Стальные панельные радиаторы (рис.1).

    Такой радиатор представляет собой прямоугольную панель, состоящую из двух сваренных вместе стальных листов с отштампованнымиуглублениями, при сварке образующих каналы для циркуляции теплоносителя. Иногда для увеличения теплоотдачи к тыльной стороне панели привариваются П-образные стальные рёбра. Несколько таких панелей могут объединяться в пакет и закрываться сверху и с боков декоративными планками.

    Выпускаются панели различной высоты и ширины, что позволяет создать прибор любой тепловой мощности. Панельные радиаторы имеют небольшую глубину и мало весят; соответственно, их тепловая инерционность незначительна. Площадь нагреваемую поверхности панелей весьма велика и стиму

лирует интенсивное движение нагретого воздуха — доля теплового потока, передаваемая конвекцией, достигает 75 %, что позволяет отнести эти приборы к типу конвекторов.

    Для изготовления панелей используется низкоуглеродистая сталь с повышенной коррозионной стойкостью. Поверхность стали обезжиривают, фосфатируют, покрывают порошковой эмалью и термообрабатывают.

    В случаях, когда система отопления имеет прямое сообщение с атмосферой (например, через открытый расширительный бак), эти радиаторы склонны к коррозии, и их срок службы может составлять всего несколько лет.

Недостатки:

    К недостаткам панельных стальных радиаторов следует отнести небольшое рабочее давление, на которое они рассчитаны, чувствительность к гидравлическим ударам, незащищённость внутренней поверхности от коррозионного воздействия воды. Эти свойства ограничивают сферу их применения автономными системами отопления с хорошей водоподготовкой. Кроме того, тыльные поверхности приборов труднодоступны для удаления пыли.

    В большинстве случаев панельные радиаторы рассчитываются на рабочее давление от 6 до 8,7 атм, опрессовочное — до 13 атм и максимальную температуру теплоносителя 110 °C. Их рекомендуется использовать в индивидуальном и малоэтажном строительстве, а при наличии индивидуального теплового пункта — в зданиях любой этажности.

Рисунок 1. Стальной панельный радиатор управляемый термостатом

    Стальные секционные радиаторы.

    Внешне эти радиаторы напоминают чугунные, однако их секции соединяются друг с другом не резьбовыми ниппелями, а при помощи точечной сварки. Они являются более прочными и долговечными и рассчитанны на рабочее давление от 10 до 16 атм. Однако из-за особенностей технологии производства стоимость этих радиаторов достаточно высока, что и обуславливает их относительно невысокую популярность.

   Стальные трубчатые радиаторы.

    Трубчатые стальные радиаторы представляют собой сварную трубчатую

конструкцию и  являются наиболее дорогостоящими. Они  выпускаются в расчете на рабочее давление 10-15 атм. Сварные стыки минимизируют вероятность протечек, но недостатком этих радиаторов является малая толщина стали (1 мм и менее)(рис 2).

Рисунок 2 Стальной трубчатый радиатор

Алюминиевые радиаторы

    Алюминиевые  радиаторы на сегодняшний день считаются наиболее эффективными по причине высокой теплопроводности алюминия и развитой поверхности оребрения радиатора. Практически все современные радиаторы, рассчитанные для работы в системах центрального отопления, имеют рабочее давление более 12 атм, опрессовочное более 18 атм.

Алюминий является активным металлом, и если покрывающая его  поверхность оксидная плёнка оказывается нарушенной, то при контакте с водой последняя разлагается с выделением водорода. Если отопительный прибор герметично закрыт, возрастающее давление газа может привести к разрыву радиатора. С этим явлением борются при помощи нанесения на контактирующие с водой поверхности полимерного покрытия, которое также улучшает антикоррозионные свойства, позволяя использовать теплоносители с уровнем pH от 5 до 10; уменьшает гидродинамическое сопротивление, предотвращает засоры и налипания. В случае, если радиатор не имеет внутренненго полимерного покрытия, перекрывать краны на подводящих трубах запрещается.

Алюминиевые радиаторы чаще всего делят на три основных типа: литые с цельными секциями, экструдированные с механически соединенным набором секций и комбинированные, сочетающие в себе качества обоих этих типов. Для работы в условиях высокого рабочего давления используюься биметаллические радиаторы, изготавливаемые из алюминия и стали. (рис 3)