Конвективный теплообмен

Основные понятия и определения.

Понятие конвекции, конвективного теплообмена и конвективной теплоотдачи рассмотрено в начале части второй в разделе "Виды теплообмена". Поэтому, не повторяя приведенных там определений, отметим только, что здесь и далее мы будем рассматривать конвек­тивную теплоотдачу.

Конвективная теплоотдача является достаточно сложным процес­сом, который зависит от многих факторов: от природы возникновения движения жидкости; режима движения; скорости и температуры жидкости; физических параметров жидкости; формы и размеров омываемого тела и некоторых других.

Рассмотрим названные факторы.

По природе возникновения различают два вида движения - сво­бодное и вынужденное, и, в соответствие с этим, свободную и вынужденную конвекцию. В случае свободной конвекции жидкость или газ движутся за счет разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости, находящихся в поле земного тяготения, т.е. происходит свободное гравитационное движение, вызванное неоднородностью тем­пературного поля. Свободную конвекцию называют также естественной конвекцией.

При вынужденной конвекции жидкость или газ движутся за счет внешних сил (например, за счет работы насоса, вентилятора, комп­рессора и т.д.). Вынужденное движение в общем случае может сопро­вождаться свободным движением. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разница температур отдельных точек жидкос­ти и чем меньше скорость вынужденного движения. При больших ско­ростях вынужденного движения влияние свободной конвекции становится пренебрежимо малым. Условимся, что в дальнейшем под словом жидкость мы будем понимать и каплеобразные и газообразные жидкости.

Процессы теплоотдачи неразрывно связаны с условиями движения жидкости. Как известно из курса гидравлики, имеется два основных течения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме течение имеет спокойный струйчатый характер, т.е. частицы жидкости движутся параллельно стенкам канала. При турбулентном режиме движение неупорядоченно-хаотическое, вихревое. Режим движения за­висит oт скорости движения жидкости ω, ее кинематической вязкос­ти υ и характерного (определяющего) размера канала или обтекае­мого тела ℓ. Названные величины были сгруппированы. О. Рейнольдсом в безразмерный комплекс, который получил название числа Рейнольдса:

Переход ламинарного режима в турбулентный, происходит при кри­тическом значении этого числа Re_кр. Например, при движении жидкости в трубах Re_кр=ω*d/υ ≈2*10³. При турбулентном режиме не вся масса жидкости имеет неупоря­доченный характер движения. Около ограничивающей поток стенки, вследствие действия сил вязкости, образуется тонкий слой затормо­женной жидкости, в пределах которого скорость изменяется от нуля на поверхности тела до скорости невозмущенного потока. Этот слой заторможенной жидкости называют: гидродинамический пограничный слой. В пределах пограничного слоя течения может быть как ламинарным, так и турбулентным. Однако и при турбулентном погра­ничном слое у стенки будет тонкий ламинарный подстой.

В процессе теплоотдачи режим движения жидкости имеет очень большое значение, т.к. им определяется механизм переноса тепла. При ламинарном режиме перенос тепла в направлении нормали к стен­ке осуществляется теплопроводностью. При турбулентном режиме такой способ переноса тепла сохраняется лишь в пограничном слое (или подслое), а внутри турбулентного ядра перенос тепла осуществляет­ся путем интенсивного перемешивания частиц жидкости, т.е. конвек­цией.

В качестве теплоносителей используют различные вещества: воз­дух, воду, газ, масла, расплавленные металлы и т.д. В зависимости от физических свойств этих веществ, процессы теплоотдачи протекают различно. Большое влияние на теплоотдачу оказывают следующие физи­ческие параметры теплоносителей: коэффициент теплопроводности λ, удельная теплоемкость С, плотность ρ, коэффициент температуро­проводности а, динамический коэффициент вязкости μ и кинемати­ческий коэффициент вязкости υ. Два последних коэффициента связаны соотношением:

,

Для каждого вещества эти параметра имеют определенные значе­ния и являются функцией температуры, а некоторые из них и давле­ния.

Форма и размеры поверхности теплообмена существенно влияют на теплоотдачу. В зависимости от них может резко меняться харак­тер обтекания поверхности и толщина пограничного слоя.