Kemi

Värmeöverföring (värmetransport med konvektion)


Avdunsta

Avdunstning, liksom kondensation, är en komplex process med kopplad värme- och massöverföring.Typen av värmeöverföring vid förångning beror på värmeytbelastningen och temperaturskillnaden mellan värmeytan och vätskan som ska förångas. Med ökande värmeflödestäthet på den uppvärmda ytan bildas förutom självkonvektion ångbubblor i den intilliggande vätskan och därmed bildas ett tvåfasflöde.

I grund och botten måste följande typer av avdunstning särskiljas:

  • Avdunstning på vätskans yta: Om värmeytbelastningen är låg kommer värmen att nå vätskans yta genom värmeledning och fri konvektion. Där sker sedan avdunstning (konvektiv kokning).
  • Underkyld avdunstning: Bildning av ångbubblor innan vätskans tryckberoende koktemperatur uppnås vid höga värmeytbelastningar.
  • Bubbelavdunstning:Ångbubblor bildas på värmeytan med medelhög värmeyta.
  • Instabil filmavdunstning:När värmeytbelastningen är hög börjar den plana, instabila bildningen av en ångfas mellan väggen och vätskan, så att den direkta kontakten mellan vätskan och värmeytan går förlorad.
  • Stabil filmavdunstning:Om väggtemperaturen stiger ytterligare kommer ångfilmen att täcka hela värmeytan (Leidenfrost-fenomen).

Film: Leidenfrost-fenomen


Värmeöverföring

Värmeöverföring är transporten av termisk energi som ett resultat av en temperaturskillnad över åtminstone en termodynamisk systemgräns. Denna transporterade energi kallas värme och är en processvariabel. Av Värmeöverföring sker i riktning mot kallare områden. Förknippad med det är en Värmebalans över systemgränserna.

Den fysiska mängden värmeöverföring är Värmeflöde $ prick $ (eller $ Phi_ mathrm $). Värmeöverföring vid ett gränssnitt kännetecknas av Värmeöverföringskoefficient.
En komponent eller ett system som är designat för en hög värmeöverföring kallas Värmeväxlare.


Värmeöverföring

som Värmeöverföring är termen som används för att beskriva överföringen av värme mellan ytan av ett fast ämne och en rörlig vätska eller gas & # 911 & # 93. Värmeöverföringsprocesser är förknippade med konvektion, dvs med flödesrörelser hos vätskan. Förutom konvektion sker även värmeledningsprocesser i vätskan. Vid behov kan värmestrålning även vara av betydelse vid värmeöverföringsprocesser.

Man skiljer på forcerad konvektion och fri konvektion. Man talar om forcerad konvektion när flödet orsakas av en extern mekanism, t ex & # 160B. av en pump eller en fläkt. Å andra sidan är det fri konvektion när rörelsen utlöses av de temperatur- och därmed densitetsskillnader som bildades på grund av värmeöverföringen. Även vid forcerad konvektion sker i viss utsträckning samtidigt fri konvektion, vilket dock kan försummas om flödeshastigheterna är tillräckligt höga. & # 912 & # 93

Värmeöverföringar beskrivs matematiskt av värmeöverföringskoefficienten och det dimensionslösa Nusselt-talet.


Konvektion utan massöverföring

Bilden visar temperaturprofilen i en massiv vägg med konvektiv värmeöverföring på båda sidor. Inga atomer flyttas i väggen, så det är värmeledning där.

Medan ren värmeledning med linjär temperaturprofil sker i en fast kropp, sker värmetransport i vätskan inom ett termiskt gränsskikt. På grund av den lokala flödeshastigheten, som måste vara noll direkt på väggen, sker till en början även värmeledning i vätskan nära väggen, som kontinuerligt överlagras av blandningsprocesser, så att den linjära temperaturprofilen nära väggen övergår i en icke-linjär sådan, oavsett i vilken riktning värmen strömmar.

Konvektionen bestäms här av "gränsskiktet", skiktet mellan de två volymerna där de fysiska parametrarna skiljer sig från de två volymerna. De väsentliga parametrarna är ämnenas temperatur och sammansättning samt flödeshastigheten. Var och en av dessa parametrar bildar sitt eget gränsskikt. Vid konvektion mellan vätskor är bestämningen av gränsskikten vanligtvis mycket svår eller till och med omöjlig, eftersom de inte kan mätas eller är svåra att bestämma och ofta ändras med hög frekvens.

Värmeflödet bestäms av värmeöverföringskoefficienten α eller det dimensionslösa Nusselt-talet Nu beskrivs.

Naturligtvis med fri konvektion ges flödesriktningen av gravitationen, eftersom flödet orsakas av skillnader i densitet och därmed vikt. En vertikal inriktning av den fasta kroppens yta är därför önskvärd för optimal användning. Vid forcerad konvektion är orienteringen i rummet däremot godtycklig, eftersom flödet normalt dimensioneras strukturellt på ett sådant sätt att andelen oundviklig fri konvektion är irrelevant.

Eftersom parametrarna som kännetecknar värmeflödet (temperaturskillnader, densitetsskillnader, lyft-/nedåtkraft, flödeshastigheter) påverkar varandra i det senare, är det mycket komplicerat att bestämma värmeöverföringen av tekniska komponenter. Till exempel måste effektmätningen på rumsvärmare bestämmas individuellt genom mätning för varje typ och storlek under olika driftsförhållanden under fasta gränsförhållanden. En beräkningssimulering är å andra sidan ännu mer komplex och framför allt mindre exakt, även med dagens högpresterande datorer.

Fördelen med fri konvektion är att värmen transporteras utan extra drivenergi och apparater, men gravitationen sätter gränser i den lokala fördelningen, eftersom flödet företrädesvis är vertikalt orienterat. Nackdelen är den dåliga värmeöverföringen som måste kompenseras av stora ytor. Värmetransporten med vätskor över långa sträckor är ofördelaktig för båda typerna av konvektion på grund av värmeförlusterna, till exempel vid fjärrvärme.

Ett cirkulationssystem är också möjligt med fri konvektion om det finns en värmekälla och en kylfläns i ett slutet rum (exempel: rumsvärme, värmerör), som har en självreglerande effekt inom vissa gränser (negativ återkoppling), eftersom cirkulationen ökar med ökande temperaturskillnad och vice versa.

Värmeöverföringen kan bli betydligt effektivare, även med fri konvektion, om vätskan har en kokpunkt i arbetstemperaturområdet, till exempel kondensorn på en kylmaskin (rörslingan på utsidan av baksidan av ett hushållskylskåp, där köldmediet kondenserar på insidan). Dessutom finns fördelen att värmeöverföringen på denna sida är nästan helt isotermisk, dvs temperaturskillnaden till rumsluften är nästan densamma i hela röret.

Konvektion i ett horisontellt lager

En vätska som står över en uppvärmd horisontell yta (exempel: luft över en uppvärmd jordyta, vatten i en kastrull) strömmar inte över ytan med en mycket liten temperaturskillnad och utan yttre påverkan. Det finns bara värmeledning och värmediffusion. Om temperaturskillnaden ökar bildas konvektionsströmmar i form av rullformade eller hexagonala strukturer, konvektionscellerna eller Bénardcellerna. Om temperaturskillnaden ökar ytterligare blir strukturerna turbulenta, se granulering (astronomi).


Först och främst bör du komma ihåg att vissa kroppar kan leda värme och att värme transporteras när det är en temperaturskillnad. Vätskor är också värmeledande. Så om du lägger en kall vätska, till exempel isvatten, i ett glas vars yta är lika varm som omgivningstemperaturen kommer värme att transporteras. När vattnet blir varmare blir glaset kallare och det bildas kondensdroppar på glaset.

Konvektiv värmeöverföring

Men vad ligger egentligen bakom det? Detta är vad som kallas konvektiv värmeöverföring. Vid konvektion skiljer man återigen mellan naturlig och forcerad konvektion. Tills vidare nöjer vi oss dock med konvektiv värmeöverföring.

Som en påminnelse: konvektion betyder värmeöverföring från en fast yta till en intilliggande vätska eller vice versa. För beräkningen av värmeöverföringen behövs några dimensionslösa nyckeltal, det vill säga siffror utan enheter.

Reynolds nummer

Den första är Reynoldstalet Re, vilket är förhållandet mellan tröghetskraft och friktionskraft. Formeln för Reynolds-talet är . är vätskans kinematiska viskositet. är referenshastigheten och beräknas olika beroende på fallet.

Gräsgårdsnummer

Nu när du känner till Reynolds-talet kommer vi till det andra talet, Grashof-talet Gr, som representerar förhållandet mellan lyftkraft och friktionskraft. Grashof-numret blir med beräknad. är den så kallade termiska isobariska expansionskoefficienten och kan ges av formeln beräknas.

Prandtl nummer

Förutom Reynolds-talet och Grashof-talet krävs Prandtl-talet Pr, som representerar förhållandet mellan momentum och värmetransport och endast innehåller materialmängder som kan tas från en tabell, för att beräkna den konvektiva värmeöverföringen. Formeln för Prandtl-talet är . Det är den dynamiska viskositeten och den isobariska specifika värmekapaciteten.

Nusselt nummer

Nusselt-numret Nu är det fjärde nyckeltalet bredvid Reynolds-numret, Grashof-numret och Prandtl-numret. Den visar förhållandet mellan värmeflödet på grund av konvektion och värmeflödet på grund av ledning. Det betyder: Eftersom värmeöverföringen kan ske å ena sidan på grund av konvektion och å andra sidan rent genom värmeledning, beskrivs förhållandet mellan de två processerna med hjälp av Nusselt-talet. Nusselt-talet beräknas med hjälp av .

De två sista dimensionslösa indikatorerna är sammansatta indikatorer, eftersom de är kombinationer av Reynolds-numret, Grashof-numret, Prandtl-numret och Nusselt-numret.

Konvektiv värmeöverföring - karakteristisk längd

Du undrar säkert vad det är i formlerna för Reynolds-numret, Grashof-numret, Prandtl-talet och Nusselt-talet. är den så kallade karakteristiska längden, som kan beräknas olika beroende på flödesfallet. Vi kommer bara att förklara det allmänna tillvägagångssättet för dig här, som kan delas in i områdena flöde genom och runt flöde. När det finns ett flöde genom en rektangulär kanal till med och med flöde genom ett runt rör är formeln , dvs lika med rörets innerdiameter. När flödet är runt . Om det finns ett flöde runt en platt platta har vi ett specialfall där är plattans längd.

Konvektiv värmeöverföring - referenstemperatur

Inte bara längden beror på typen av flöde, utan även temperaturen. Om det finns flöde runt en kropp har vi referenstemperaturen . Om kroppen är perfunderad är formeln det , varvid temperaturen vid utloppet och beskriver temperaturen vid inloppet.

Nu vet du vad konvektiv värmeöverföring har att göra med att ditt glas med isbitar också är blött på utsidan. Dessutom kan du nu även beräkna den konvektiva värmeöverföringen med hjälp av Reynolds-numret, Grashof-numret, Prandtl-talet och Nusselt-numret.


Dimensionslös temperatur och Nusselt-nummer relaterat till rörströmmar

Det grundläggande & # 8222 problemet & # 8220 när man beskriver temperaturprofilen inuti röret är att den förändras längs röret. När allt kommer omkring, med ett isotermiskt uppvärmt rör, överförs värme permanent till vätskan, vilket värms upp som ett resultat. Detta innebär att temperaturskillnaden mellan en punkt i vätskan på ett avstånd r till röraxeln (T.F.) och väggen (TW.) är en funktion av r och position x:

Men om denna funktion är relaterad till skillnaden mellan den adiabatiska blandningstemperaturen vid beaktandepunkten x (TF.) och konstant väggtemperatur TW., då är denna dimensionslösa vätsketemperatur θF. vid termiskt och hydrodynamiskt utvecklat flöde, oavsett läge i röret. En ström kallas då utbildadnär tjockleken på gränsskikten inte längre ändras.

Ett utvecklat flöde är ett flöde där gränsskiktens tjocklek inte längre ändras!

Bild: Bildar hastighetsprofilen (hydrodynamisk profil)

Observera att väggtemperaturen TW. i denna ekvation är en konstant medan vätsketemperaturen TF. beror på både r och x. Den blandade temperaturen, å andra sidan, är bara en funktion av platsen x:

Så det finns ett beroende av x både i täljaren för bråket och i nämnaren. På grund av bildandet av kvoten elimineras detta beroende av platsen så att säga, så att detta uttryck faktiskt inte längre är en funktion av platsen. Beviset bör inte tillhandahållas vid denna tidpunkt. Men under detta antagande kan man visa att Nusselttalet är oberoende av x (och därmed också värmeöverföringskoefficienten).

För detta ändamål bestäms den dimensionslösa temperaturgradienten genom att härleda ovanstående ekvation enligt r. Det bör noteras att termen markerad med blått under (partiell) härledning med avseende på r är att betrakta som en konstant faktor, eftersom denna term inte är en funktion av r. Dessutom är derivatan av väggtemperaturen TW. efter r noll, eftersom väggtemperaturen är konstant.

För den dimensionslösa temperaturgradienten på väggen gäller följande:

Låt oss avstå från att specificera argumenten på denna punkt,

då visar det omedelbart att uttrycket på höger sida motsvarar termen markerad med rött i ekvationen ( ref) motsvarar (i detta fall motsvarar variabeln y radien r och karakteristiken L till rörets innerdiameter d). Men som den vänstra sidan av denna ekvation visar, är denna term inte beroende av x och därmed inte heller Nusselttalet:

Observera att den dimensionslösa temperaturprofilen eller Nusselt-talet och värmeöverföringskoefficienten endast är oberoende av position x under följande förhållanden:

  • termiskt och hydrodynamiskt utformat, laminärt rörflöde (se även Hagen-Poiseuille-flöde)
  • konstant väggtemperatur eller konstant värmeflödestäthet

Ju längre ett rör är, desto bättre tillstånd kommer det fullt utvecklade rörflödet att uppfyllas. Nusselttalet tenderar därför mot ett gränsvärde för långa rör. Denna asymptot kan bestämmas med hjälp av numeriska metoder. Beroende på randvillkoren erhålls följande gränsvärden för lokal respektive. mellersta Nusselt-nummer:

Observera att ett fullt utvecklat rörflöde teoretiskt sett endast ges för mycket långa rör eller på tillräckligt stort avstånd från rörets början. Därför är det lokala Nusselt-numret i allmänhet mycket beroende av x och det genomsnittliga Nusselt-talet är beroende av rörlängden l. Mer om detta i artikeln Calculating the Nusselt Numbers.

Figur: Gränsvärden (asymptoter) för Nusselt-talen för rörflöden med konstant värmeflödestäthet eller konstant väggtemperatur


Värmeledning i gaser

Jämfört med fasta ämnen har gaser vanligtvis endast relativt låga värden för värmeledningsförmåga. Detta beror på att gaser endast har ett relativt litet antal partiklar. Men eftersom värmeledning bygger på överföring av energi från partikel till partikel, kan endast en liten mängd energi transporteras om det bara finns ett fåtal partiklar.

Faktum är att för idealgaser är värmeledningsförmågan oberoende av trycket, dvs oberoende av partikeldensiteten! Detta verkar initialt motsäga det nyss gjorda påståendet att densiteten har en inverkan på värmeledningsförmågan. När det gäller ideala gaser är värmeledningsförmågan dock oberoende av partikeldensiteten eftersom den är densamma som värmeledande Partiklar ökar på grund av en högre densitet, den genomsnittliga fria vägen minskar! De många partiklarna står så att säga i vägen för varandra och hindrar varandra från att leda värme. Mer om detta i artikeln Thermal conductivity of gases.

Den termiska konduktivitetens oberoende av gastrycket gäller endast i viss utsträckning. Vid mycket låga tryck förändras situationen. Om det inte finns några partiklar alls i en gas så kan naturligtvis ingen energi överföras från partikel till partikel och därmed kan ingen värme transporteras. Värmeledningsförmågan i vakuum är därför noll. I detta fall kan värme endast transporteras genom termisk strålning. Detta används till exempel i dubbelväggiga termosflaskor, som innehåller ett vakuum däremellan för att förhindra värmeledning.

Inom anläggningsarbeten används även gasernas låga värmeledningsförmåga. I synnerhet används luft ofta för värmeisolering av byggnader. Där används till exempel tallrikar expanderad polystyren (& # 8222 frigolit & # 8220), som består av mer än 98 % luft. Eftersom luften är fast innesluten i polystyrenens hålrum minimeras samtidigt värmetransporten genom konvektion.

Illustration av isoleringsskivor på murverket av en byggnad


Värmeöverföringskoefficienten beskriver förmågan hos en gas eller en vätska att avleda energi från ytan av ett ämne eller att avge den till ytan. Det beror bland annat på den specifika värmekapaciteten, densiteten och värmeledningskoefficienten för såväl det värmeavledande som det värmetillförande mediet. Koefficienten för värmeledning beräknas vanligtvis med hjälp av temperaturskillnaden mellan de involverade medierna.

Värmeöverföringskoefficienten står i kontrast till värmeledningsförmågan Nej ren material konstant, men starkt beroende av

  • flödeshastighetenv eller typen av flöde (laminärt eller turbulent),
  • de geometriska sambanden och
  • ytkvaliteten.

Inom byggbranschen görs ofta beräkningar med schablonvärden för värmeöverföringskoefficienten för att förenkla. På grund av beroendet av flödeshastigheten är detta inexakt, men relativt ofarligt, eftersom det huvudsakliga värmemotståndet för komponenter med värmeisolering inte ligger i värmeöverföringen, utan i komponentens värmeöverföring.

Beroende på värmeöverföringens riktning, ΔF ta ett positivt eller negativt värde.

För gränsskikt mellan fasta material eller vätskor i vila, den termiska resistansen R t h < displaystyle R_> specificeras:

Redigera lokal värmeöverföringskoefficient

Lokala värden α (x) < displaystyle alpha (x)> för värmeöverföringskoefficienten är viktiga för datorsimuleringar och teoretiska överväganden. I ett tunt gränsskikt på väggytan är flödet laminärt och värmen transporteras huvudsakligen genom ledning. I detta fall resulterar den lokala värmeöverföringskoefficienten

  • den termiska konduktiviteten λ < displaystyle lambda> för vätskan vid medeltemperaturen T m = T F + T S 2 < displaystyle T _ < mathrm > = < frac > + T_ < mathrm >><2>>>
    • vätsketemperaturen T F < displaystil T _ < mathrm >> i det turbulenta blandade området, d. H. utanför det laminära gränsskiktet
    • den lokala yttemperaturen T S < displaystil T _ < mathrm >> väggen (S = fast, Solid eller yta, Yta).

    Redigera genomsnittlig värmeöverföringskoefficient

    För tekniska beräkningar används vanligtvis medelvärmeöverföringskoefficienter, vilka definieras för en given geometri (sammansättning) med skillnaden mellan vätsketemperaturen vid inloppet och medelväggtemperaturen.

    Den genomsnittliga värmeöverföringskoefficienten är det dimensionslösa Nusselt-talet N u < displaystyle mathrm > proportionell, vilket för en given geometri är en ren funktion av Reynolds- och Prandtl-talen:

    • vätskans värmeledningsförmåga λ < displaystyle lambda>
    • den karakteristiska längden L < displaystyle L> (t.ex. diametern på ett munstycke)
    • det dimensionslösa Reynoldstalet R e = v ⋅ L ⋅ ρ η < displaystyle mathrm = < frac >>
      • den karakteristiska flödeshastigheten v < displaystyle v> för vätskan (t.ex. medelutloppshastigheten från ett munstycke)
      • densiteten ρ < displaystyle rho> vid den aritmetiskt medelvärde temperaturen för vätskan (se ovan)
      • den dynamiska viskositeten η
      • det dimensionslösa Prandtl-talet P r = η ⋅ c p λ < displaystyle mathrm = < frac < eta cdot c_

        > < lambda >>>

        • den isobariska specifika värmekapaciteten c sid. < displaystyle c_

          .>

        Representationen av medelvärmeöverföringskoefficienten med Nusselt-talet representerar en lag av likheter, där respektive definition av den karakteristiska längden och den karakteristiska hastigheten alltid måste anges.

        Gratis konvektionsredigering

        Om flödet beror på fri konvektion beror värmeöverföringskoefficienten och Nusselt-talet på Grashof-talet.

        I detta fall kan värmeöverföringskoefficienten ungefär bestämmas med hjälp av följande numeriska ekvationer:

        Termisk strålning redigering

        Beräkningen av värmeöverföringskoefficienten genom termisk strålning är mycket svårare än vid konvektion.

        Följande gäller för värmeöverföringskoefficienten på grund av strålning från en svart kropp:

        Temperatur i °C −10 0 10 20 30
        h s 0 < displaystyle h _ < mathrm >> i W / (m² · K) [2] 4,1 4,6 5,1 5,7 6,3
        R s e = 1 / h s 0 < displaystyle R _ < mathrm > = 1 / h_ < mathrm >> 0,24 0,22 0,20 0,18 0,16

        Engelsk symbolik introducerades i byggandet för en tid sedan. [2] Därför har beteckningen som avviker från den annars vanliga stavningen sedan använts i byggnadsfysiska formler och beräkningar H.

        H definieras som mängden värme som överförs över en yta på 1 m² inom 1 sekund med stillastående luft och en temperaturskillnad på 1 Kelvin (mellan luft och komponentyta). Det läggs till från en konvektiv hc och en strålningskomponent hr andelen från ledning försummas på grund av luftens låga värmeledningsförmåga.

        En förenklad beräkningsmetod att bestämma Hr och Hc finns i EN ISO 6946, Appendix A. Hr beräknas där enligt Stefan-Boltzmann-lagen från värmeöverföringskoefficienten på grund av svartkroppsstrålning och emissiviteten för respektive ytmaterial Hc beror på värmeflödets rumsliga orientering och, när det gäller yttre ytor, på vindhastigheten. Obligatoriska värden för båda Hc såväl som för korrigeringsvärdena för olika vindhastigheter anges som konstanter i bilaga A till standarden - utan att specificera härledningen. En kraftigt förenklad korrigeringsprocedur för icke plana ytor anges också i standarden.

        Det ömsesidiga värdet 1 / h (tidigare: 1 / α) är här (avviker från den dimensionslösa användning som vanligtvis används inom fysiken som en materialkonstant) enligt standarden för Värmeöverföringsmotstånd R.s in (m² · K) / W. [2]

        • Ju högre värmeöverföringkoefficient, ju mer värre är materialgränsens värmeisoleringsegenskap.
        • Ju högre värmeöverföringmotstånd, ju mer bättre är värmeisoleringsegenskapen.

        Värmeöverföringskoefficient för termiskt aktiva rumsinneslutningar

        Vid termisk komponentaktivering - vare sig det är som stationära värme-/kylaytor eller som icke-stationärt arbetande fasta lagringskroppar integrerade i rumsinneslutningarna (tak, golv och/eller väggar) - den totala värmeöverföringskoefficienten (konvektion plus strålning) beror på de relativt små temperaturskillnaderna mellan yta och Utrymme för värmeflödestätheten är mycket meningsfull. Komplexiteten av blandad konvektion (fri och forcerad konvektion), överlagringen av värmetransport genom strålning och närvaron av lokalt olika luft- och strålningstemperaturer i rummet i förhållande till de termiskt aktiva komponentytorna leder till svårigheter att bestämma den totala värmeöverföringskoefficienten och till olika tolkningar av resultat. Arbetar med den sk Grundläggande egenskaper, som introducerats till exempel i den standardiserade prestandaberäkningen för golvvärme och även används för den praktiska kyltaksdesignen, eftersom endast rumstemperaturen används som referensvärde. Den grundläggande egenskapen visar värmeflödestätheten för värme-/kylaytan beroende på ytans läge i rummet. I tidningen Hälsoingenjör ett generellt samband mellan totala värmeöverföringskoefficienter och grundläggande egenskaper fastställdes. [3]


        Exempel på strålningsvärme


        Värmestrålare i ett storpanelskök i Vinnitsa


        Värmestrålare i vardagsrummet Storpanelskonstruktion i Vinnitsa


        Lokal och medelvärmeöverföringskoefficient

        Gränsskiktet som förklaras i avsnittet ovan är i allmänhet inte ett enhetligt område, varför olika flödesförhållanden uppstår beroende på plats. Detta påverkar därför även temperaturkurvorna, i synnerhet temperaturgradienterna på väggen. Enligt ekvationen ovan ( ref) detta leder till olika värmeöverföringskoefficienter beroende på plats. I detta sammanhang talar man om en lokal värmeöverföringskoefficient.

        För att bättre illustrera denna situation betraktar vi en isotermiskt uppvärmd platta, mot vilken en vätska strömmar på längden. Själva flödet är jämnt och laminärt. När det strömmar på plattan fäster vätskeskiktet som är placerat direkt på väggen (vidhäftningsvillkor). Som ett resultat av detta bromsas vätskeskikten ovanför ned i det vidare förloppet. Det störda området växer sålunda gradvis tills vid någon tidpunkt en konstant gränsskiktstjocklek δH har tränat.

        Figur: Hydrodynamiskt gränsskikt av en isotermiskt uppvärmd platta

        På samma sätt bildas även ett temperaturgränsskikt när vätskan rinner över. Medan temperaturen i det ostörda flödet är konstant vid varje punkt, värms vätskan upp när den strömmar över plattan. När processen fortskrider tränger värmen djupare in i vätskan. Det bildas inte bara ett område ovanför plattan inom vilket hastigheten störs, utan också ett område inom vilket temperaturen störs. Båda gränsskikten skiljer sig i allmänhet från varandra (du kan ta reda på hur dessa gränsskikt är exakt definierade i artikeln Boundary Layer and Dimensionless Parameters).

        Figur: Termiskt gränsskikt för en isotermiskt uppvärmd platta

        Det står nu klart att det ömsesidigt påverkande hastighetsfältet och temperaturfältet skiljer sig från plats till plats. Värmeöverföringen skiljer sig därmed också från plats till plats. Följaktligen kan en lokal värmeöverföringskoefficient a hittas vid varje position xloc definiera med vilket det lokala värmeflödet q *loc är beskrivet:

        Observera att temperaturen TW. på den konstanta väggtemperaturen och TF. avser temperaturen på det ostörda inflödet. Termen TW.-TF. är därför alltid konstant oavsett position x. Den lokala värmeflödestätheten påverkas endast av den lokala värmeöverföringskoefficienten!

        Med hjälp av datorsimuleringar kan de lokala värmeöverföringskoefficienterna bestämmas relativt enkelt, så att efter integration av de lokala värmeflödestätheterna över hela plattytan kan det totala konvektiva värmeflödet Q * bestämmas:

        Börja
        etikett
        & amp dot Q = int limits_A dot q_ text

        extA = (T_W-T_F) int limits_A alpha_ text

        Med definitionen av a medelvärmeöverföringskoefficient,

        den totala värmeöverföringen av plattan kan sedan bestämmas enligt följande:

        Observera att ekvationen ( ref) i ekvation ( ref) används, slutligen ekvation ( ref) resultat.

        I detta sammanhang, ekvation ( ref), som visar den (lokala) värmeöverföringskoefficienten som en funktion av temperaturgradienten vid en punkt x på väggen:

        Antar en konstant värmeledningsförmåga λF. av vätskan, så är den enda variabeln som ändras över plattan i denna ekvation temperaturgradienten. Med framryckande position x ökar tjockleken på det termiska gränsskiktet, d.v.s. temperaturen stiger över ett större avstånd y. Temperaturgradienten minskar i x-riktningen och det gör också den lokala värmeöverföringskoefficienten. Den lokala värmeflödestätheten minskar därmed också längs plattan (se figur ovan)!

        Detta är också tydligt, för om du tänker dig en (oändligt) lång platta kommer vätskan någon gång att ha värmts upp så mycket att den har (nästan) samma temperatur som röret. I detta fall finns det ingen temperaturgradient mellan väggen och vätskan och därmed ingen drivkraft för ett värmeflöde heller. Värmeflödet måste därför oundvikligen minska när vätskan strömmar över den isotermiskt uppvärmda plattan, eftersom temperaturerna blir mer och mer lika.


        Värmeöverföring

        Värmeöverföring är transporten av termisk energi som ett resultat av en temperaturskillnad över åtminstone en termodynamisk systemgräns. Denna transporterade energi kallas värme och är en processvariabel. Av Wärmeübergang erfolgt in Richtung kälterer Bereiche. Damit verbunden ist ein Wärmeausgleich über die Systemgrenzen hinweg.

        Physikalische Größe der Wärmeübertragung ist der Wärmestrom $ dot $ (oder $ Phi_mathrm $ ). Wärmeübertragung an einer Grenzfläche wird charakterisiert durch den Wärmeübergangskoeffizienten.
        Ein Bauteil oder Anlage, die für einen hohen Wärmedurchgang konzipiert ist, nennt man Wärmetauscher.


        Video: Värmeöverföring genom en vägg del 5 (November 2021).