Perpindahan panas konveksi ada dua jenis sesuai dengan perbedaan sifat gaya-gaya yang menyebabkan terjadinya pergerakan (konveksi) zat cair.
Pergerakan zat cair yang disebabkan oleh perbedaan tekanan (pressure) yang ditimbulkan oleh suatu rangsangan dari luar (pompa, kipas angin, dan lain-lain) disebut konveksi paksa.
Dalam volume cairan dengan medan suhu yang tidak seragam dan, oleh karena itu, dengan bidang yang tidak homogen kepadatan (dengan meningkatnya suhu, kepadatan berkurang), gaya angkat (Archimedean) muncul - semakin banyak cairan yang dipanaskan naik ke atas. Gerakan ini disebut konveksi alami, V pada kasus ini konveksi alami gravitasi. Konveksi alami juga dimungkinkan di bawah pengaruh gaya massa lain, misalnya gaya sentrifugal, dll. Namun dalam praktiknya, konveksi gravitasi sebagian besar terjadi di bawah pengaruh Pasukan Archimedean.
Dengan demikian, pertukaran panas konveksi dibagi menjadi pertukaran panas pada konveksi paksa dan pertukaran panas pada konveksi alami.
Dalam kondisi pertukaran panas, gaya yang menyebabkan konveksi gravitasi alami selalu ada. Rezim dimungkinkan ketika kontribusi konveksi paksa dan konveksi alami terhadap perpindahan panas akan sebanding. Dalam hal ini pertukaran panas terjadi melalui konveksi campuran.
Pada Gambar. 13.2 dan 13.3 skema dari dua kasus tipikal dipertimbangkan. Pada Gambar. 13.2 menunjukkan diagram proses ketika mengalir mengelilingi permukaan dengan suhu tc aliran paksa dengan suhu /w > /s dan sk
Beras. 13.2.
Beras. 13.3.
tinggi w. Karena suhu dinding lebih rendah, aliran panas qn diarahkan ke dinding. Pada Gambar. Gambar 13.3 menunjukkan dinding vertikal dengan suhu t c > t Dan. Jauh dari dinding, mediumnya tidak bergerak.
Lapisan cairan di dekat dinding memanas dan, di bawah pengaruh gaya Archimedean, naik ke atas. Aliran panas qn diarahkan dari dinding ke cairan yang mempunyai suhu lebih rendah. Jika suhu dinding lebih kecil dari suhu cairan ( tc
Untuk menghitung fluks panas perpindahan panas konvektif, cukup rumus sederhana, ditelepon persamaan perpindahan panas konveksi atau perpindahan panas:
Di mana tc Dan? g masing-masing adalah suhu permukaan dinding dan cairan.
Diasumsikan bahwa aliran panas perpindahan panas konvektif sebanding dengan perbedaan suhu antara permukaan dinding dan cairan (tekanan suhu). Koefisien proporsionalitas a dengan dimensi W/ (m 2 K) disebut koefisien perpindahan panas konvektif atau koefisien perpindahan panas.
Persamaan dalam bentuk (13.7) dikemukakan oleh I. Newton pada tahun 1701, dan setelah beberapa waktu G.V. Orang kaya. Oleh karena itu, ketergantungan ini disebut Hukum Newton-Richmann tentang perpindahan panas konvektif.
Koefisien perpindahan panas mencirikan intensitas perpindahan panas dalam pertukaran panas konvektif dan secara numerik sama dengan kerapatan fluks panas pada perbedaan suhu tc- /f (tekanan suhu) 1 K.
Persamaan (13.7) hanya menyederhanakan perhitungan perpindahan panas konvektif secara formal. Kompleksitas perhitungan dialihkan ke penentuan koefisien perpindahan panas, karena ini bukan merupakan sifat fisik suatu zat, tetapi bergantung pada banyak faktor proses. Berdasarkan konsep fisika, kita dapat mengatakan bahwa koefisien perpindahan panas bergantung pada properti fisik cair (koefisien konduktivitas termal X, kapasitas panas Dengan, kepadatan p, koefisien viskositas dinamis p, koefisien muai volumetrik termal (3), laju aliran fluida w, perbedaan suhu antara cairan dan dinding tc- /w, bentuk dan ukuran permukaan perpindahan panas, orientasinya relatif terhadap arah aliran fluida dan gravitasi. Perbedaan suhu dan koefisien muai volumetrik menentukan perbedaan densitas dan besarnya gaya angkat yang mempengaruhi perkembangan konveksi alami.
Jadi, koefisien perpindahan panas bergantung pada sejumlah faktor yang melekat pada proses tersebut, yaitu, pada dasarnya, ini adalah fungsi dari proses:
Di mana L- ukuran karakteristik permukaan pertukaran panas; Ф - melambangkan ketergantungan pada bentuk permukaan pelepasan panas dan orientasinya relatif terhadap arah aliran fluida atau relatif terhadap arah gravitasi.
Untuk menentukan oc, telah dikembangkan teori perpindahan panas konveksi dan metode perhitungan terkait, ketentuan pokoknya dibahas pada Bab. 15.
Koefisien perpindahan panas untuk permukaan perpindahan panas datar ditentukan oleh rumus
W/(m 2 derajat), (14)
dimana 1 dan 2 adalah koefisien perpindahan panas untuk pendingin panas dan dingin, W/(m 2 derajat); r st – jumlah ketahanan termal semua lapisan yang membentuk dinding, termasuk lapisan kontaminasi, (m 2 derajat)/W.
Persamaan ini dapat digunakan dengan tingkat akurasi yang cukup untuk menghitung perpindahan panas melalui dinding silinder jika dn/d int 10,000)
b) Ulang< 10 000
Aliran silang di sekitar kumpulan tabung:
a) halus
b) bersirip
Mengalir sepanjang permukaan datar
Film cair mengalir ke bawah permukaan vertikal
Mencampur cairan dengan pengaduk
II. Gerakan bebas (konveksi alami)
Perpindahan panas saat berganti keadaan agregasi
Film kondensasi uap
Mendidihnya cairan
Perpindahan panas selama radiasi termal padatan
Secara umum, ketergantungan kriteria untuk menentukan koefisien perpindahan panas berbentuk
Tidak = F (Re; Pr; Gr; Г 1 ; Г 2 ; …), (16)
Di mana 
– Kriteria Nusselt;
– Kriteria Reynolds;
– Kriteria Prandtl;
Г 1 , Г 2 , … – simpleks kemiripan geometri.
Selain yang ditunjukkan, persamaan kriteria dapat mencakup
– Kriteria Galileo 
;
– Kriteria Grashof 
;
– Kriteria Peclet 
.
Kriteria ini masing-masing memperhitungkan pengaruh sifat fisik pendingin dan kekhasan hidromekanik pergerakannya terhadap intensitas perpindahan panas.
Nilai-nilai yang termasuk dalam ekspresi kriteria kesamaan dan satuan pengukurannya diberikan pada Tabel 6.
Persamaan kriteria untuk menghitung koefisien perpindahan panas untuk kasus perpindahan panas yang ditunjukkan pada Tabel 5 diberikan dalam.
Sifat fisikokimia suatu cairan (gas) yang termasuk dalam persamaan kriteria harus diambil pada suhu yang disebut penentuan. Suhu mana yang diambil sebagai penentu, ditunjukkan untuk setiap kasus perpindahan panas tertentu.
Tabel 6 – Besaran yang termasuk dalam persamaan kriteria perpindahan panas konvektif
|
Besarnya |
Nama |
satuan SI |
|
|
Koefisien perpindahan panas Koefisien ekspansi volume Koefisien konduktivitas termal Koefisien viskositas dinamis Koefisien viskositas kinematik Kepadatan Koefisien difusivitas termal Kapasitas panas spesifik (pada tekanan konstan) Percepatan gravitasi Menentukan ukuran geometri (untuk setiap rumus ditunjukkan ukuran mana yang menentukan) Panas spesifik penguapan (evaporasi) Perbedaan suhu antara dinding dan cairan (atau sebaliknya) Kecepatan |
W/m 2. derajat W/(m.derajat) Faktor utama yang menentukan perpindahan panas konvektif adalah perbedaan suhu dan koefisien perpindahan panas. Perbedaan suhu - perbedaan suhu antara media pemanas dan media yang dipanaskan, dirata-ratakan pada luas permukaan pemanas, bergantung pada arah relatif pergerakannya. Pergerakan media pemanas dan media panas secara paralel satu sama lain disebut arus berlawanan, dan dalam satu arah - aliran searah. Arah gerak tegak lurus salah satu aliran media terhadap arah gerak media lain disebut arus silang. Elemen permukaan pemanas dengan kombinasi arus searah dan berlawanan arah, serta media aliran paralel dan lintas juga digunakan. Skema untuk mencuci permukaan pemanas ditunjukkan pada Gambar. 9 5. Perpindahan panas konvektif terbesar yang mungkin dicapai dengan aliran balik, yang terkecil - dengan aliran langsung; dengan semua skema penyalaan permukaan pemanas lainnya, perbedaan suhu memiliki nilai antara. Dengan laju aliran massa pendingin yang konstan dan koefisien perpindahan panas yang konstan untuk permukaan pemanas tertentu, perbedaan suhu rata-rata untuk skema pergerakan media aliran langsung dan aliran balik, °C, ditentukan oleh rumus dimana Δt b adalah perbedaan suhu antara media pada ujung permukaan yang perbedaan suhunya lebih besar, °C; Δt m - perbedaan suhu di ujung permukaan yang lain, °C. Ketika Δt b /Δt m ≤ Δt ditentukan dengan akurasi yang cukup sebagai perbedaan suhu rata-rata aritmatika Untuk rangkaian switching campuran, jika kondisi Δt Langsung >0,92 Δt prot terpenuhi, perbedaan suhu ditentukan oleh rumus Pada rangkaian dengan arus paralel dan silang, perbedaan suhu ditentukan oleh rumus di mana ty adalah faktor konversi. Nilai ψ meningkat dari sekitar 0,7 dengan arus silang tunggal menjadi 0,9 dengan arus silang empat kali lipat. Jika terjadi perubahan signifikan pada kapasitas panas salah satu media (misalnya uap pada tekanan darah tinggi), serta perubahan keadaan agregat lingkungan di dalamnya dari elemen ini permukaan pemanas, perbedaan suhu ditentukan untuk masing-masing bagian di mana kapasitas panas diasumsikan konstan, dan perbedaan suhu rata-rata untuk seluruh elemen ditentukan oleh rumus dimana Q 1, Q 2 ... - penyerapan panas luas per 1 kg setiap media, kJ/kg; Δt 1, Δt 2 perbedaan suhu di area yang bersangkutan, °C. Koefisien perpindahan panas k, W/(m 2 *K), dari gas pemanas ke media kerja dalam pipa halus evaporasi, superheating uap, economizer dan permukaan pemanas pemanas udara dengan ketebalan dinding pipa kecil dibandingkan dengan diameternya ditentukan adapun dinding datar multilayer, sesuai rumus dimana ai dan a 2 adalah koefisien perpindahan panas dari media pemanas ke dinding dan dari dinding ke media panas, W/(m 2 *K); δ m dan λ m - ketebalan dan konduktivitas termal dinding pipa logam, M dan W/(m*K); δ з dan λ з - ketebalan dan konduktivitas termal lapisan kontaminan pada permukaan luar pipa, m dan W/(m*K); δ n dan λ n - ketebalan dan konduktivitas termal lapisan kerak pada permukaan bagian dalam pipa, m dan W/(m*K). Selama pengoperasian normal, endapan kerak pada pipa economizer, permukaan pemanas evaporatif, dan superheater tidak boleh mencapai ketebalan yang menyebabkan peningkatan ketahanan termal yang signifikan dan peningkatan suhu dinding pipa, dan oleh karena itu dalam perhitungan termal pecahan δ z / λ z dapat diterima sama dengan nol. Ketahanan termal dinding pipa baja dengan ketebalannya yang kecil (δ m = 0,002 - 0,004 m) dan konduktivitas termal baja yang tinggi pada 300 °C [λ m = 44,4 W/(m*K)] secara signifikan lebih kecil daripada ketahanan termal hambatan sisi gas dan udara dari pipa, dan oleh karena itu mungkin tidak diperhitungkan. Pertukaran panas konvektif dari kontaminasi eksternal pada permukaan pemanas δн/λн secara signifikan mengurangi nilai koefisien perpindahan panas. Pengaruh kontaminasi permukaan pemanas konvektif terhadap perpindahan panas diukur dengan koefisien kontaminasi ε = δn / λn. Dalam beberapa kasus, data tidak mencukupi untuk menentukan e dan pengaruh pencemaran dinilai dengan koefisien efisiensi termal, yaitu rasio koefisien perpindahan panas pipa kotor dan bersih: = k n / k. Dalam kasus pencucian permukaan pemanas yang tidak lengkap, bidang kecepatan dan suhu yang tidak merata, serta adanya zona stagnan, penurunan total koefisien perpindahan panas oleh semua faktor ini, serta kontaminasi, diperkirakan dengan koefisien pemanfaatan D. Selama pembakaran bahan bakar padat e dalam bundel yang dicuci secara melintang berkurang secara nyata dengan meningkatnya kecepatan pencucian dan meningkat dengan bertambahnya diameter pipa. Dalam kondisi serupa lainnya, koefisien polusi pada kelompok terhuyung-huyung ternyata kira-kira 2 kali lebih kecil dibandingkan pada kelompok koridor. Mengurangi jarak relatif memanjang dari pipa-pipa dalam kumpulan yang terhuyung-huyung secara nyata mengurangi nilai koefisien polusi. Pada bundel koridor, besar kecil jarak relatif memanjang mempunyai pengaruh yang kecil terhadap nilai e. Pengaruh besar kecil jarak relatif melintang pada pipa-pipa dengan susunan terhuyung-huyung dan koridor juga tidak signifikan. Arah pergerakan aliran gas dalam pancaran dan konsentrasi abu dalam gas hampir tidak berpengaruh. Kontaminasi pada tabung bersirip jauh lebih besar dibandingkan dengan tabung halus. Arahan utama untuk menciptakan permukaan pemanas dengan kontaminasi rendah adalah meningkatkan kecepatan gas di dalamnya dan mengurangi diameter pipa. Peningkatan kecepatan aliran gas dibatasi oleh peningkatan ketahanan aerodinamis bundel, serta kondisi untuk mencegah keausan pipa oleh partikel abu. Berdasarkan kondisi tersebut, kecepatan aliran untuk bundel pipa yang dicuci melintang saat mengoperasikan boiler bahan bakar padat direkomendasikan sebesar 8-10 m/s, dan untuk pemanas udara 10-14 m/s. Polusi, Efisiensi Termal dan Koefisien Penggunaan berbagai permukaan pemanasan diberikan dalam . Koefisien polusi e, (m 2 *K)/W, dalam kumpulan pipa terhuyung-huyung ditentukan dari persamaan dimana ε 0 adalah koefisien pencemaran awal; C d, C fr - koreksi diameter pipa dan komposisi fraksi abu; Δε - koreksi tergantung pada jenis bahan bakar dan lokasi permukaan pemanas. Perpindahan panas dari hasil pembakaran ke dinding terjadi secara konveksi dan radiasi, dan koefisien perpindahan panas untuk balok konvektif, W/(m 2 *K), ditentukan dengan rumus di mana ξ adalah koefisien pemanfaatan permukaan pemanas. Untuk kumpulan pipa boiler modern yang disiram secara melintang ξ=1. Untuk saringan dan kumpulan pipa yang sulit dicuci = 0,85 / 0,9; dan k adalah koefisien perpindahan panas secara konveksi, W/(m 2 *K); a l adalah koefisien perpindahan panas secara radiasi, W/(m 2 *K). Nilai ak bergantung pada kecepatan gas, diameter pipa dan desain bundel, serta karakteristik gas pemanas. Nilai al bergantung pada suhu gas dan komposisinya, serta desain bundel tabung. Koefisien perpindahan panas dari dinding ke fluida kerja bergantung pada kecepatan aliran dan sifat fisiknya. Resistensi termal dengan di dalam pipa economizer dan permukaan pemanas evaporatif, serta superheater dari boiler bertekanan sangat tinggi, 1/a 2 secara signifikan lebih kecil dari 1/a 1 dan dapat diabaikan. Dalam pemanas udara, hambatan termal 1/a 2 adalah signifikan dan harus diperhitungkan. Perpindahan panas konvektif untuk permukaan layar pemanas ditentukan dengan mempertimbangkan panas yang diserap oleh permukaan layar dari kotak api: dimana pengali (1+Q l /Q) memperhitungkan panas yang diserap dari kotak api oleh permukaan layar. Koefisien perpindahan panas dalam kumpulan tabung terhuyung-huyung dari superheater uap saat membakar bahan bakar padat Perpindahan panas konvektif untuk economizer, zona transisi boiler sekali lewat dan permukaan evaporasi, serta superheater pada tekanan superkritis Koefisien perpindahan panas untuk bundel tabung halus terhuyung-huyung dan koridor saat membakar gas dan bahan bakar minyak, serta bundel koridor saat membakar bahan bakar padat: untuk superheater untuk economizer, zona transisi boiler sekali pakai, superheater uap bertekanan superkritis, serta kumpulan dan kumpulan boiler berdaya rendah saat beroperasi dengan bahan bakar padat di mana ψ adalah koefisien efisiensi termal dari permukaan pemanas. Dengan pencucian campuran bundel tabung halus melintang-membujur, koefisien perpindahan panas ditentukan secara terpisah untuk bagian yang dicuci secara melintang dan membujur berdasarkan kecepatan gas rata-rata untuk masing-masing bagian dan dirata-ratakan sesuai dengan rumus Koefisien perpindahan panas k, W/(m 2 *K), dalam pemanas udara berbentuk tabung dan pelat di mana adalah faktor pemanfaatan, dengan mempertimbangkan pengaruh gabungan polusi, pencucian permukaan yang tidak sempurna dengan gas dan udara, dan aliran udara dalam lembaran tabung. Koefisien perpindahan panas pengepakan pelat dari pemanas udara regeneratif berputar, terkait dengan permukaan dua sisi penuh pelat, dimana x 1 = H r / H = F in / F adalah rasio luas permukaan pemanas yang dicuci oleh gas atau penampang terbuka yang sesuai dengan luas permukaan total atau total penampang pemanas udara; x 2 - sebagian kecil dari luas permukaan pemanas yang dicuci oleh udara; a 1 dan a 2 - koefisien perpindahan panas dari gas ke dinding dan dari dinding ke udara, W/(m 2 *k); n adalah koefisien yang memperhitungkan sifat non-stasioner perpindahan panas pada kecepatan rotor pemanas udara n > 1,5 rpm ¶=1. Koefisien perpindahan panas untuk besi cor bersirip dan bergigi berusuk, serta pemanas udara pelat dimana ξ adalah faktor pemanfaatan; a 1priv dan 2priv - pengurangan koefisien perpindahan panas dari sisi gas dan udara, dengan mempertimbangkan ketahanan perpindahan panas pada permukaan dan sirip, W/(m 2 *K); permukaan penuh dari sisi gas dan udara. Perpindahan panas secara konvektif secara konveksi. Perpindahan panas konvektif secara konveksi pada permukaan pemanas boiler sangat bervariasi tergantung pada kecepatan dan suhu aliran, penentuan ukuran linier dan lokasi pipa dalam bundel, jenis permukaan (halus atau berusuk) dan sifat dari pencuciannya (membujur, melintang), sifat fisik media pencuci, dan dalam beberapa kasus - pada suhu dinding. Proses stasioner pertukaran panas konvektif dengan parameter fisik media penukar panas yang konstan dijelaskan oleh sistem persamaan diferensial kekekalan energi, kekekalan momentum, dan kekekalan aliran massa. Dalam kondisi tertentu, kondisi ketidakjelasan melekat pada persamaan berikut: nilai konstanta fisik, bidang kecepatan dan suhu, parameter desain, dll. Solusi dari persamaan ini sulit, dan oleh karena itu dalam perhitungan teknik, ketergantungan kriteria digunakan, diperoleh pada dasar teori kesamaan dan data eksperimen. Hasil penelitian tersebut diolah dalam bentuk ketergantungan daya Nu = / (Re Рг), dimana Nu, Re dan Рг masing-masing merupakan bilangan Nusselt, Reynolds dan Prandtl Saat menentukan k, laju aliran hasil pembakaran, m/s , ditentukan oleh rumus dimana F adalah luas penampang terbuka saluran gas, m2; V p - perkiraan konsumsi bahan bakar, kg/jam; W adalah volume hasil pembakaran per 1 kg bahan bakar, m 3 /kg, pada tekanan 100 kPa dan 0°C, ditentukan oleh rata-rata koefisien udara berlebih di saluran gas. Kecepatan udara di pemanas udara, m/s, dimana V 0 2 adalah jumlah teoritis udara yang dibutuhkan untuk pembakaran bahan bakar pada tekanan 100 kPa dan 0 °C; ß VP adalah koefisien yang memperhitungkan kehilangan udara di pemanas udara dan resirkulasi gas ke dalam tungku. Kecepatan uap air atau air dalam pipa, m/s, dimana O adalah konsumsi uap, air, kg/jam; v Av - rata-rata volume spesifik uap, air, m 3 /kg; f adalah luas penampang terbuka untuk aliran uap dan air, m3. Luas penampang bersih, m2, untuk saluran gas atau udara dalam saluran gas yang diisi pipa: untuk bundel tabung halus yang disiram silang
dimana a dan b adalah dimensi cerobong masuk bagian ini, m 2 ; Z 1 - jumlah pipa berturut-turut; d dan I - diameter dan panjang pipa, m. Selama pencucian memanjang pipa dan aliran media di dalam pipa
dimana z adalah jumlah pipa yang dihubungkan secara paralel; ketika medium mengalir di antara pipa-pipa
Rata-rata bagian aktif dengan luas berbeda pada masing-masing bagian saluran gas dilakukan dari kondisi kecepatan rata-rata. Suhu aliran gas di saluran gas diambil sama dengan jumlahnya suhu rata-rata media yang dipanaskan dan tekanan suhu. Ketika gas didinginkan tidak lebih dari 300 °C, suhu rata-ratanya dapat ditentukan sebagai rata-rata aritmatika antara suhu pada saluran masuk dan saluran keluar cerobong asap. Koefisien perpindahan panas secara konveksi a k, W/(m 2 *K), selama pencucian melintang bundel dan sekat koridor, terkait dengan luas total permukaan luar pipa, ditentukan oleh rumus dimana C s adalah koreksi jumlah baris pipa sepanjang aliran gas pada z ≥ 10, C s = 1; C s - koreksi untuk susunan balok, ditentukan tergantung pada rasio jarak memanjang dan melintang terhadap diameter. λ - konduktivitas termal pada suhu rata-rata aliran, W/(m 2 *K); v adalah viskositas kinematik produk pembakaran pada suhu aliran rata-rata, m 2 /s; d - diameter pipa, m; w - kecepatan produk pembakaran, m/s. Koefisien perpindahan panas secara konveksi selama pencucian melintang bundel papan catur, W/(m 2 *K), dimana C s adalah koefisien yang ditentukan tergantung pada langkah transversal relatif σ 1 dan nilai φ σ1 = (σ 1 - 1)/(σ" 2 - 2), σ"2= √0.025σ" 1 + 2, σ" 2 - jarak memanjang relatif pipa pada 0,1< φ σ
|
