История развития науки о процессах и аппаратах

4.1.3. Расчеты коэффициентов теплоотдачи

Для определения коэффициентов теплоотдачи используют справочные данные, которые, в свою очередь, являются обобщением экспериментальных исследований. Обобщения выполняют методом теории подобия и представляют в виде критериальных зависимостей. Эти зависимости, как правило, представляют критерий Нуссельта в функции критериев, определяющих исследуемый тепловой процесс. Обратим внимание на внешнее сходство записи критериев Нуссельта и Био. Различие заключается в том, что в критерии Нуссельта характеризует теплопроводность окружающей среды, а в критерии Био — твердого тела, находящегося в тепловом взаимодействии с ней.

В зависимости от того, какими физическими процессами определяется исследуемое явление, используют соответствующие критерии их связи с критерием Нуссельта. Если исследуется теплоотдача между потоком жидкости и стенками трубы, процесс определяется критериями

Первый из этих критериев определяет режим течения жидкости, а второй — ее теплофизические свойства. На данную критериальную зависимость могут накладываться поправки, учитывающие конструктивные особенности применяемых теплообменников.

Если течение жидкости в теплообменнике определяется не вынужденной, а естественной конвекцией, побуждаемой разностью температур подогрева вблизи нагретой поверхности, оно будет определяться
Если на течение жидкости существенное влияние оказывает свободное ее падение, то этот процесс определяется критерием Галилея (Ga)



где h — высота падения жидкости.
Приведем примеры конкретных критериальных зависимостей для расчетов теплообменных аппаратов.
1. Для теплоотдачи при турбулентном течении однофазной жидкости внутри прямой гладкой трубы (формула М. А. Михеева)

Значения критериев Рейнольдса и Прандтля в этой формуле берут средними по длине трубы. Функции ε — поправочные функции, учитывающие направление теплового потока и относительную длину трубы. Их выражения:

При обжаривании или выпекании пищевых изделий в шкафах вблизи поверхности изделий образуется малоподвижный пограничный слой, в который из выпекаемого изделия поступают парообразные продукты сушки. Навстречу этим продуктам из окружающей среды передается теплота; основным процессом ее передачи является теплопроводность. Пограничный слой незначительно деформируется слабым течением газообразной среды, возникающим вследствие естественной тепловой конвекции. Существенная интенсификация теплопередачи возникает при организации движения воздушной среды. При этом пограничный слой размывается или сдувается и более горячие газовые объемы приближаются к нагреваемым изделиям. Вследствие этого температурные градиенты вблизи их поверхности увеличиваются. Это может интерпретироваться как увеличение коэффициента тепло­отдачи. Эмпирические зависимости, описывающие теплопередачу в этих условиях, связывают критерии Нуссельта и Рейнольдса выражениями

Из приведенного выражения следует, что при обдувании кулинарных изделий интенсивность теплопередачи к ним увеличивается пропорционально скорости обдувания в степени, равной 0,5...0,8. Этот способ ускорения тепловой обработки кулинарных изделий находит практическое применение. Теплопередача к ним может быть значительно увеличена без повышения температуры среды, т. е. без риска подгорания изделий.

Для теплопередачи при вынужденном ламинарном течении вязких жидкостей в круглой трубе под действием сил гравитации (формула М. А. Михеева)

Для вынужденного течения в трубах при переходном режиме
(формула М. А. Михеева)
Nu =ƒ(Re)Pr^0,43 при 2000 < Re 10000; значение ƒRe) берется по справочнику.
При подстановке в уравнение для теплопередачи при конден­сации размерных величин получаем размерные уравнения



При кипении жидкостей