Вопросы для самоконтроля к разделу 3

1. Какой процесс передачи тепла называется теплопередачей?

2. Описать передачу теплоты через стенку.

3. Каким уравнением описывается передача теплоты через стенку?

4. Что называется коэффициентом теплопередачи?

5. Что называется полным термическим сопротивлением, и из каких величин оно

складывается?

6. Передача теплоты через многослойную плоскую стенку и коэффициент

теплопередачи для нее.

7. Как определяются температуры поверхностей стенки?

8. Коэффициент теплопередачи через однослойную цилиндри­ческую стенку;

дать определение.

9. Тепловой поток и коэффициент теплопередачи через много­слойную

цилиндрическую стенку.

10. Уравнение полного термического сопротивления через мно­гослойную

цилиндрическую стенку.

11. Определение температур внутренней и наружной поверхно­стей

цилиндрической стенки.

12. Коэффициент теплопередачи и полное термическое сопротив­ление шаровой

стенки.

13. В каких случаях применяют ребристые стенки?

14. Теплопередача и коэффициент теплопередачи через ребри­стую стенку.

4. Конвективный теплообмен

4.1. Основы теории конвективного теплообмена

Второй вид теплообмена – конвекция, происходит только в газах и жидкостях и состоит в том, что перенос теплоты осуществляется перемещающимися в пространстве объемами среды. Передача теп­лоты конвекцией всегда связана с теплопроводностью. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом.

Различают конвекцию вынужденную (движение жидкости созда­ется искусственно) и конвекцию свободную – движение возникает в связи с ее нагреванием и изменением плотности.

О. Рейнольдс в 1884 г. в своих опытах установил, что при дви­жении жидкости встречаются два вида потока, подчиняющихся различным законам.

В потоке первого вида все частицы движутся только по параллельным между собой траекториям, и движение их длительно совпадает с направлением всего потока. Жидкость движется спокойно, без пульсаций, образуя струи, следующие очертаниям канала. Движение такого рода называется ламинар­ным, или струйчатым.

Второй вид потока называется турбулентным, в нем непрерыв­но происходит перемешивание всех слоев жидкости. Каждая час­тица потока, перемещаясь вдоль канала с некоторой скоростью, со­вершает различные движения перпендикулярно стенкам канала. В связи с этим, поток представляет собой беспорядочную массу хаотически движущихся частиц. Чем больше образуется пульсаций, завихрений, тем больше турбулентность потока. При переходе ла­минарного движения в турбулентное сопротивление от трения в ка­нале возрастает.

О. Рейнольдс показал, что характер движения жидкости в круг­лой трубе определяется величиной отношения wd/v, которое называется критерием Рейнольдса и обозначается Re:

, (4.1)

где w – средняя скорость жидкости, м/сек;

d – диаметр круглой трубы, м;

–коэффициент кинематической вязкости жидкости, м/сек.

Для канала произвольного сечения вводится понятие эквива­лентного диаметра , который и подставляется в выражение для критерияRe.

Подставляя размерности отдельных величин в критерий Re, легко убедиться, что он является величиной безразмерной.

До значений Re = 2300 поток жидкости в трубе остается лами­нарным, при больших значениях Re поток переходит в турбулент­ный. Ламинарный поток является устойчивым только в докритической области (до Re = 2300). При некоторых специальных мерах предосторожности ламинарное движение можно наблюдать при числах Re, значительно превышающих критическое. Однако такой режим движения является неустойчивым и при малейшем возмуще­нии потока переходит в турбулентный.

Характер движения жидкости влияет на интенсивность передачи тепла. При ламинарном режиме и отсутствии естественной конвек­ции тепло в перпендикулярном к стенке направлении передается только теплопроводностью. Количество этой теплоты зависит от физических свойств жидкости, геометрических размеров, формы поверхности канала и почти не зависит от скорости.

При турбулентном движении жидкости перенос теплоты наряду с теплопроводностью осуществляется перпендикулярным к поверх­ности канала перемещением частиц.