Глава 4 конвективный теплообмен

Теплообмен является сложным процессом, который для простоты изучения условно разделяют на три элементарных способа передачи энергии: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение.

Конвекцией называется явление переноса тепла путем перемещения и перемешивания между собой частиц жидкости или газа. Различают конвекцию свободную и вынужденную. В случае свободной конвекции перемещение теплоносителя происходит под влиянием разности плотностей холодной и горячей жидкости или газа: подогревшиеся объемы всплывают, а охладившиеся - опускаются. При вынужденной конвекции теплоноситель перемещается в пространстве с помощью насосов, вентиляторов и других устройств. Теплообмен при вынужденной конвекции протекает более интенсивно. Будучи связан с движением среды, он в значительной степени определяется законами гидромеханики.

В реальных условиях элементарные способы теплообмена в чистом виде встречаются очень редко. В большинстве случаев эти процессы протекают одновременно и влияют друг на друга. Конвекция, например, всегда сопровождается теплопроводностью (это обусловлено тем, что при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих разную температуру) и часто лучеиспусканием.

Установлены следующие понятия теплообмена:

• теплоотдача - процесс теплообмена между поверхностью тела (стенкой) и обтекающей эту поверхность жидкой или газообразной средой;

• теплопроводность - процесс переноса тепла через твердую стенку;

• теплопередача - процесс теплообмена между двумя средами, разделенными твердой стенкой, совокупным действием указанных выше элементарных способов переноса энергии.

В инженерной практике основной интерес представляет конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела, который носит название теплоотдачи.

Конвективный теплообмен определяется в значительной степени режимом течения жидкости или газа. Режим течения может быть ламинарным или турбулентным. В случае ламинарного режима среда движется, образуя несмешивающиеся струйки, повторяющие очертания поверхности. Передача тепла от жидкости к стенке осуществляется при этом теплопроводностью. При турбулентном режиме, обусловленном источниками возмущений или большими скоростями, на основное перемещение налагаются различные неупорядоченные пульсационные и вихревые движения, в результате чего возникает интенсивное перемешивание частиц жидкости в потоке. Согласно теории Прандтля, для такого движения жидкости или газа характерно образование непосредственно у поверхности стенки тонкого слоя, движущегося ламинарно и называемого пограничным слоем (вязким подслоем). Толщина его зависит от физических свойств среды и скорости потока жидкости. Вне этого слоя среда движется турбулентно.

В турбулентной части, благодаря интенсивному перемешиванию частиц среды, изменение температуры в направлении нормали n к поверхности весьма незначительно. В пределах же пограничного слоя перенос тепла в направлении нормали возможен только путем теплопроводности (нет перемещения частиц в этом направлении). Вследствие малых значений коэффициента теплопроводности жидкостей и газов пограничный слой при теплообмене составляет основное термическое сопротивление, вызывающее резкое изменение температуры от до . Очевидно, интенсивность конвективного теплообмена будет тем выше, чем меньше толщина пограничного слоя. Так, например, увеличение скорости движения потока жидкости и снижение ее вязкости уменьшает толщину пограничного слоя и увеличивает интенсивность теплоотдачи. Все это говорит о сложной зависимости процесса теплоотдачи от многих факторов.

Для расчета теплового потока от жидкости к поверхности твердого тела (или наоборот), была предложена формула, обычно называемая уравнением

Ньютона – Рихмана , (4.1)

где F - площадь поверхности передачи тепла;

, - соответственно температура жидкости и стенки.

Из уравнения (4.1) следует, что , .

Таким образом, - это количество тепла, передаваемое в единицу времени через единицу площади поверхности при разности температур между жидкостью и стенкой в один градус.

Расчет теплоотдачи, несмотря на простоту уравнения (4.1), является весьма сложным делом, главная трудность которого сводится к нахождению коэффициента теплоотдачи .

В общем случае его можно представить как функцию формы Ф и размеров , тела, температуры поверхности нагрева , скорости W и температуры жидкости, ее физических характеристик: коэффициента теплопроводности ; коэффициента температуропроводности а; теплоемкости С_p; плотности ; коэффициента кинематической вязкости  и других величин, т.е.

. (4.2)