Теоретическое введение. Конвективный теплообмен (теплоотдача) представляет собой процесс передачи тепла от твердой поверхности к газу или жидкости

Конвективный теплообмен (теплоотдача) представляет собой процесс передачи тепла от твердой поверхности к газу или жидкости, или наоборот, от жидкости или газа к поверхности. Механизм теплоотдачи включает в себя теплопроводность внутри тонкого неподвижного слоя газа или жидкости у поверхности (пограничный слой) и конвекцию, т.е. способ передачи тепла, связанный с перемещением макрообъемов газа или жидкости.

Конвекция может быть свободной или вынужденной. При вынужденной конвекции перемещение различно нагретых объемов жидкости происходит под действием какого-либо постороннего источника движения (насоса, вентилятора, компрессора и т.д.)

Свободная конвекция возникает при соблюдении двух условий:

1) наличия разности температур и, следовательно, разности плотностей в объеме теплоносителя. В исследуемом случае разность температур создается между поверхностью трубы и окружающей средой;

2) Наличия поля тяготения. Необходимость этого условия становится ясной из следующих соображений: если в объеме теплоносителя, имеющего температуру , возник некоторый объем с температурой , то плотность последнего объема становится либо больше (если либо меньше ( ) по сравнению с первоначальной. Тогда рассматриваемый объем, имеющий температуру , в силу закона Архимеда будет либо всплывать, либо опускаться относительно всего объема теплоносителя, т.к. он стал легче или тяжелее окружающих слоев газа или жидкости. Но понятия «легкий» и «тяжелый» справедливы в поле сил тяготения. При его отсутствии (в невесомости) свободная конвекция не возникает.

Одной из важнейших задач расчетов конвективного теплообмена является определение количества тепла, отдаваемого или принимаемого той или иной поверхностью теплообмена. Это количество тепла определяется по закону Ньютона-Рихмана:

Здесь α_К – основная характеристика конвективного теплообмена как при свободной, так и при вынужденной конвекции. Этот коэффициент носит название коэффициента теплоотдачи и представляет собой количество тепла, отдаваемое или принимаемое единицей поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью и теплоносителем в один градус. Следовательно, его размерность Вт/м² К. Определение величины α_К представляет значительные трудности, т.к. α_К зависит от многих факторов, например, геометрии поверхности, свойств теплоносителя, температуры и т.д.

Величина α_К определяется обычно из критериальных уравнений, полученных на основании теорий подобия и размерностей. Например, теплоотдача в условиях вынужденной конвекции описывается уравнением:

а в условиях свободной конвекции:

В уравнениях (2), (3), Nu – критерий Нуссельта, который служит для определения коэффициента теплоотдачи α_К:

Понятие о критериях подобия , входящих в уравнение (2), (3) вводится при помощи специальной теории, называемой теорией подобия.

Наименование критерия	Формула	Что характеризует
1. Критерий Нуссельта		Интенсивность теплообмена на границе стенка – жидкость
2. Критерий Рейнольдса		Соотношение сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости
3. Критерий Грасгофа		Соотношение подъемных сил и вязкости
4. Критерий Прандтля		Физические свойства жидкости

В критериях Нуссельта, Грасгофа, Рейнольдса содержится величина, называемая определяющим линейным размером . Выбор этого размера для каждого конкретного случая производится так, чтобы был учтен тот путь, который проходит нагреваемый (охлаждаемый) теплоноситель около поверхности. Например, воздух вдоль вертикальной трубы проходит путь, равный длине трубы, а горизонтальную трубу воздух обтекает по диаметру. Значит, в первом случае трубы, а во втором .

В упомянутые критерии подобия входят также свойства теплоносителя:

– коэффициент теплопроводности, – коэффициент кинематической вязкости и – коэффициент объемного расширения. Эти параметры, а также критерий выбираются из таблиц физических свойств теплоносителей по температуре. Коэффициент объемного расширения для воздуха может также определятся из выражения:

где – температура воздуха вдали от поверхности трубы;

– температура поверхности трубы.

Коэффициенты в критериальных уравнениях

	С	n
Для вертикальной стенки
от 103 до 109	0,54	0,25
от 109 до 1013	0,15	0,33
Для горизонтальной трубы
от 10-3 до 103	1,18	0,125
от 103 до 109	0,5	0,25

Следует отметить, что количество тепла Q, передаваемое трубой в окружающее пространство, определяется по мощности, потребляемой электронагревателем. Это количество тепла передается окружающей среде путем конвекции и радиации (излучения).

Коэффициент теплоотдачи α_К вычисляется (для последующего определения критерия Нуссельта) по доле конвективной составляющей теплового потока:

В свою очередь, конвективная составляющая теплового потока определяется как полный тепловой поток за вычетом радиационной составляющей

где – степень черноты поверхности полированной трубы ( ); С_о=5,67 Вт/м²К⁴– коэффициент излучения абсолютно черного тела. Необходимо вычислить коэффициент теплоотдачи α_К по классическому уравнению (7) и сравнить его с опытом.