Тема 2.3 Конвективный теплообмен.

Вопросы темы.

Закон Ньютона – Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Теплоотдача при свободном и вынужденном движении жидкости, при разных условиях обтекания тел. Влияние облучения газов на теплообмен. Коэффициент теплоотдачи облучения. Теплоотдача при кипении жидкости и при конденсации пара.

Передача теплоты путем конвекции осуществляется перемещением в пространстве неравномерно нагретых объемов жидкостей или газов. Обычно при инженерных расчетах определяется конвективный теплообмен между жидкостью и твердо стенкой, называемый теплоотдачей.

Согласно закону Ньютона – Рихмана, тепловой поток Q от жидкости к стенке пропорционален поверхности теплообмена и разности температур между температурой твердой стенки t_c и температурой жидкости t_ж

Q = αF (t_c – t_ж) вт.

Основная трудность расчета заключается в определении коэффициента теплоотдачи α, зависящего от ряда факторов: физических свойств омывающей поверхность жидкости (плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности и др.), формы и размеров поверхности, природы возникновения движения среды, скорости движения. По природе возникновения различают два вида движения – свободное и вынужденное.

В первом случае движение происходит вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости, находящейся в поле действия сил тяжести. Свободное движение называется также естественной конвекцией. Оно зависит от рода жидкости, разности температур, объема пространства, в котором протекает процесс.

Вынужденное движение возникает под действием посторонних возбудителей (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 критическим значением безразмерного комплекса, называемого числом Рейнольдса

где w – скорость движения жидкости; ν – коэффициент кинематической вязкости; 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. На рисунке показана схема этого слоя при продольном омывании плоской поверхности потоком жидкости с постоянной скоростью w₀. Толщина слоя δ возрастает вдоль по потоку, так как по мере движения влияние вязкости распространяется все больше на невозмущенный поток. При малых значениях х в пограничном слое происходит ламинарное течение, которое постепенно переходит в турбулентное. Однако и в случае турбулентного пограничного слоя непосредственно у стенки имеется очень тонкий слой жидкости толщиной δ_л.п., 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, где температура жидкости изменяется от значения, равного температуре стенки t_c, до значения температуры жидкости вдaли oт стенки t_ж. В общем случае толщины гидродинамического δ и теплового δ_Т 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 путем теплопроводности). При ламинарном пограничном слое теплота в направлении стенки переносится только теплопроводностью.