Конвективный теплообмен

§21. Основные понятия, определения

Конвективный теплообмен - это перенос теплоты текучей (движущейся) средой.

Жидкость - это текучая среда. Она бывает сжимаемой (газ) и несжимаемой (капельная).

М еханизм переноса теплоты молярный (конвективный теплообмен)

молекулярный (теплопроводность)

[q] = Вт/м²

горячая жидкость

q

холодная поверхность

“Wall effect”- эффект стенки - на твердой поверхности всегда существует неподвижный слой жидкости, теплота через который может передаваться только теплопроводностью, толщина этого слоя - тысячные доли миллиметра, но роль в теплоотдаче огромна.

у

t t_ж

q

t_{с Х}

dt/dy>0

Эффект стенки - неподвижный, прилипший слой, теплота должна переносится по закону Фурье:

q = -

Закон Ньютона - Рихмана:

Q_c = α (t_c – t_ж) F

Виды конвекции:

- однофазная

- с фазовыми превращениями

По виду сил, которые вызывают движение жидкости, различают: свободную (естественную) и вынужденную (принудительную).

Свободная конвекция вызывается силами внутри самой жидкости (самая главная - гравитационная). Вынужденная конвекция создается устройствами, находящимися за пределами самой жидкости (компрессоры, насосы).

Во всех явлениях конвекции свободная и вынужденная конвекция присутствуют вместе, только доля их отличается.

Пограничные слои

y

Wx граница

x₀ x₁ x₂ x₃ X

граница между возмущенным и невозмущенным потоком жидкости

гидродинамический пограничный слой (ГПС)

Физические свойства жидкости:

Коэффициент теплопроводности λ, удельная теплоёмкость C_р, коэффициент температуропроводности а, плотность ρ.

- коэффициент сжатия тела.

- коэффициент объемного расширения.

Величина касательных напряжений - согласно гипотезе Ньютона, причем:

- коэффициент пропорциональности, носит название коэффициента абсолютной или динамической вязкости.

- физическое свойство жидкости.

= - коэффициент кинематической (относительной) вязкости.

Это свойство с внутренним трением, - важнейшее свойство всех текучих сред. Не все жидкости подчиняются гипотезе Ньютона, особенно синтетические. “Неньютоновские” жидкости: гудрон, студень.

для них:

Мы рассматриваем только ньютоновские жидкости.

Режим движения жидкости:

- ламинарный

- турбулентный

Механизмы переноса: молекулярный механизм очень слабый (при ламинарном), “молярный механизм” (при турбулентном).

ламинарный

турбулентный

Ламинарный режим из-за того, что в нем только молекулярные механизмы, на практике не реализуется; реализуется турбулентный; но ламинарный режим возникает независимо от нашего желания при следующих условиях:

W~турб. турбулентное ядро

потока

турбулентный пограничный слой

ламинарный подслой

неподвижный слой