5.7. Конвективный теплообмен в свободном потоке жидкости

Естественная конвекция, или конвективный теплообмен, в сво­бодном потоке возникает в связи с изменением плотности жидкости от нагревания. Естественная конвекция имеет место у нагретых стен печей, трубопроводов, у батарей центрального отопления, в холодильниках при охлаждении продук­тов и др. Этот вид теплообмена играет большую роль, как в промышленности, так и в быту.

Свободный, или естественный, теплооб­мен возникает в неравномерно нагретом газе или жидкости, находящихся, как в ограниченном, так и в неограниченном пространстве. Если тело имеет более вы­сокую температуру, чем окружающая его жидкость, то слои жидкости, нагреваясь от тела, становятся легче и под действием возникающей подъемной силы поднимают­ся вверх, а на их место поступают из ок­ружающего пространства более холодные слои. Поэтому и возникает естественная конвекция.

Рассмотрим свободный теплообмен в неограниченном пространст­ве у вертикальной плиты или трубы. Характерная картина свобод­ного движения показана на рис. 5.5.

l l

Турбулентный поток

Локонообразный

поток

Участок

ламинарного движения

Рис. 5.5

У нижней части трубы в поднимающейся с небольшой скоростью жидкости наблюдается ламинарное движение с постепенно увели­чивающейся толщиной ламинарного слоя. На некотором расстоянии от нижнего конца трубы по ее высоте ламинарный слой начинает разрушаться, возникает локонообразное движение жидкости, которое постепенно усиливается и переходит в развитое турбулент­ное движение с ламинарным подслоем в непосредственной близо­сти к поверхности трубы. В соответствии с изменением толщины пограничного слоя и характера движения жидкости у поверхно­сти изменяется и коэффициент теплоотдачи. По мере увеличения ла­минарного слоя, считая от нижнего конца трубы, коэффициент теплоотдачи, уменьшается. Минимального значения коэффициент теплоотдачи достигает там, где толщина ламинарного слоя достигает максимума. В области локонообразного движения коэффи­циент теплоотдачи постепенно возрастает и принимает наибольшее постоянное значение в области развитого турбулентного движе­ния жидкости.

Характер движения жидкости и границы ламинарного и турбу­лентного режима в основном зависят от температурного напора . При малых значениях температурного напора вдоль всей поверхности будет преобладать ламинарное движение жидкости. При больших температурных напорах, будет преобла­дать турбулентный режим движения. В развитии естественной кон­векции форма тела играет второстепенную роль. Основное значение для свободного потока имеет длина поверхности, вдоль которой происходит теплообмен.

Около горизонтальных нагретых поверхностей движение жид­кости имеет особый характер и зависит от положения и размеров плиты (по этому вопросу см. специальную литературу).

Многочисленные исследования по теплоотдаче в свободном по­токе жидкости были проведены с горизонтальными и вертикальными проволоками, трубами, плитами и шарами. Опыты проводились с воздухом, водородом, углекислотой, водой, маслом и различными органическими жидкостями. В результате обобщения опытных дан­ных были получены эмпирические формулы критериального вида, которые дают возможность получить средние значения коэффициен­та теплоотдачи.

Для горизонтальных труб диаметром d при рекомендуется уравнение

. (5.24)

Для вертикальных труб и плит следует пользоваться формулами:

– при ламинарном режиме и

; (5.25)

– при турбулентном режиме и

. (5.26)

Для газов , поэтому из формул это соотношение исключается.

В этих уравнениях за определяющую температуру принята тем­пература окружающей среды, за определяющий линейный размер для горизонтальных труб – диаметр, а для вертикальных поверх­ностей – их высота.

Формула (5.24) применима и для расчета горизонтальных плит. При этом если нагретая поверхность обращена кверху, то коэф­фициент теплоотдачи, вычисленный по формуле (5.24), увеличивается на 30%. Если поверхность обращена книзу, то коэффициент теп­лоотдачи уменьшается на 30%. За определяющий размер в этих случаях берется меньшая сторона плиты.

Теплоотдача в ограниченном пространстве при свободном дви­жении жидкости представляет собой более сложный процесс, и ко­личественные законы будут другими. Приближенные расчеты для важнейших случаев приводятся в специальной литературе.