4. Теплоотдача при свободном движении жидкости.

Движение жидкости, обусловленное разностью плотностей нагретых и холодных частиц, называется свободным. Свободное движение часто встречается в быту, технике (нагрев воздуха в помещении от нагревательного прибора), от нагретых торцов трубопроводов, от нагретой обмуровки технических агрегатов и т.д. Этот вид теплообмена играет большую роль как в промышленности, так и в быту. Если в помещение, в котором воздух находится в спокойном состоянии и во всем объеме имеет одинаковую температуру, внести нагретое тело, то между телом и воздухом возникает теплообмен. От соприкосновения с телом воздух нагревается и становится легче. Вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы поднимаются (всплывают) кверху. На их место поступают свежие, холодные частицы, которые также нагреваются и поднимаются. Так возникает свободное движение. Форма тела играет второстепенную роль.

Свободное движение всегда определяется наличием теплообмена. Чем больше передается тепла, тем интенсивнее движение. Т.к. количество переданного тепла пропорционально поверхности тела (протяженности) и разности температур поверхности и жидкости, то свободное движение определяется именно этими факторами. Имеет значение положение поверхности.

Температурным напором определяется разность плотностей и подъемная сила, а протяженностью поверхности – зона распространения процесса. В зависимости от значения и соотношения этих величин характер движения получается различным. Свободное движение может быть ламинарным и турбулентным.

4.1 Свободный теплообмен в неограниченном пространстве около верикальной плиты или трубы.

При малых значениях температурного напора (<15⁰C) вдоль всей поверхности наблюдается ламинарный режим, при больших температурах (>15⁰C) – наблюдается турбулентный режим. Турбулентный подразделяется на локонообразный и вихревой режим. Однако, и при больших температурных напорах из нижней части стенки длиной сохраняется ламинарный режим. На участке ламинарного движения коэффициент теплоотдачи по высоте стенки убывает, т.к. увеличивается толщина ламинарного пограничного слоя. Минимальное значение там, где толщина пограничного слоя максимальна.

На некотором расстоянии от нижнего края стенки ламинарный пограничный слой начинает разрушаться, возникает локонообразное движение, которое постепенно усиливается и переходит в развитое турбулентное (вихревое) движение. Коэффициент теплоотдачи в области локообразного движения постепенно возрастает и в области развитого турбулентного движения принимает постоянное значение.

На стенке скорость жидкости равна нулю w=0. В пограничном слое она увеличивается до максимума и за тем падает до подвижности воздуха в помещении.

В развитии процесса свободного движения форма тела играет второстепенную роль. Большое значение имеет протяженность поверхности, вдоль которой происходит движение нагретого воздуха. При свободном движении определяющим критерием является комплекс.- число Рэлея.

Для определения средних чисел теплоотдачи при движении жидкости вдоль вертикальной стенки применяют следующие формулы

- Ламинарное движение жидкости вдоль вертикальной стенки:

;

.

Формулы применимы при числах ;.

- Турбулентное движение жидкости вдоль вертикальной стенки:

При турбулентном режиме, наступающем при среднее значениеможно просчитать:

За определяющую температуру принята температура жидкости вдали от нагретой поверхности – ; за определяющий размер – длина поверхности, отсчитываемая от начала теплообмена.

Если , то имеет местопереходный режим свободного движения жидкости, который отличается неустойчивостью как течения жидкости, как и теплоотдачи.