Глава 3. Конвективный теплообмен в ядерном реакторе
Понятие конвективного теплообмена сопряжено с описанием процесса теплообмена при движении жидкости или газа. При этом пе- ренос тепла осуществляется одновременно конвекцией и теплопровод- ностью. Под конвекцией тепла понимают процесс переноса тепла при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция возможна только в текучей среде, здесь перенос тепла неразрывно связан с переносом са- мой среды. Под теплопроводностью понимают процесс передачи тепла при непосредственным соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих различные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.
Конвекция тепла всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение от- дельных частиц, имеющих различные температуры.
При практических расчетах теплоотдачи используют закон Нью- тона – Рихмана:
Q (tc tж )F . (3.1)
Согласно закону Ньютона – Рихмана тепловой поток Q от жидко- сти (газа) к стенке или от стенки к жидкости (газу) пропорционален по-
верхности теплообмена F и разности их температур
t tc tж , где tc –
температура поверхности тела; tж – температура окружающей тело
жидкой или газообразной среды. Разность температур двух сред t
зывают температурным напором.
на-
Величины F и t
не исчерпывают факторы, влияющие на кон-
кретный процесс теплообмена между твердым телом и жидкой (газовой) средой. Конкретные условия учитываются коэффициентом пропорцио- нальности , называемым коэффициентом теплоотдачи.
3.1. Факторы, влияющие на теплоотдачу
Теплоотдача является достаточно сложным процессом. Коэффи- циент теплоотдачи зависит от большого числа факторов.
1. Природа возникновения движения (свободное или вынужден-
ное).
Свободное движение или естественная конвекция возникает под действием разности плотностей холодных и нагретых частиц жидкости (газа).
Вынужденное движение (вынужденная конвекция) возникает под действием разности давлений, создаваемой насосом, компрессором. В некоторых случаях, наряду с вынужденным, одновременно может раз-
виваться свободное движение. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур в отдельных объемах жидко- сти (газа) и чем меньше скорость вынужденного движения.
2. Режим течения (ламинарный, переходный, турбулентный).
При ламинарном режиме частицы жидкости движутся спокойно, не перемешиваясь (рис. 3.1a), перенос теплоты от стенки к жидкости
(газу) осуществляется теплопроводностью. Турбулентный режим харак- теризуется непрерывным перемешиванием всех слоев жидкости (рис. 3.1b). При этом у поверхности стенки образуется ламинарный под-
слой жидкости толщиной
лп . Перенос теплоты от стенки к жидкости с
турбулентным течением осуществляется теплопроводностью и конвек- цией. Промежуточный режим движения жидкости между ламинарным и турбулентным называется переходным.
a) Ламинарный b) Турбулентный
Рис. 3.1. Режимы течения жидкой среды
3. Гидродинамический и тепловой пограничный слои.
При любом режиме движения частицы жидкости, непосредствен- но прилегающие к твердой поверхности, как бы прилипают к ней. В ре- зультате вблизи обтекаемой поверхности под действием сил вязкого трения образуется плоский слой заторможенной жидкости, в пределах которого скорость жидкости изменяется от нуля (на поверхности тела)
до скорости невозмущенного потока (вдали от тела). Этот слой затор- моженной жидкости называется гидродинамическим пограничным сло- ем.
На начальном участке поверхности, как правило, течение жидко- сти ламинарное (ламинарный пограничный слой). По мере удаления от
входной кромки поверхности, по направлению движения потока, тол- щина гидродинамического пограничного слоя увеличивается. Утолще- ние пограничного слоя происходит с увеличением вязкости жидкости. Рост толщины пограничного слоя приводит к уменьшению его устойчи- вости и на определенном расстоянии от входной кромки он переходит в турбулентный. Чем меньше толщина гидродинамического пограничного слоя, тем выше коэффициент теплоотдачи.
Аналогично понятию гидродинамического пограничного слоя су- ществует понятие теплового пограничного слоя. Это слой жидкости T , прилегающей к твердой поверхности, в пределах которого температура
жидкости изменяется от температуры стенки tc
вдали от поверхности tж .
до температуры потока
В общем случае толщина гидродинамического и теплового погра- ничных слоев не совпадает и только для газов практически одинакова. Соотношение толщины теплового и гидродинамического пограничных
слоев определяется значением числа Прандтля
Pr
a
, где – кинема-
тическая вязкость; а – коэффициент температуропроводности жидкой среды.
4. Теплофизические свойства жидкости.
Коэффициент теплоотдачи зависит от коэффициента теплопро- водности , теплоемкости ср, кинематической вязкости , плотности , коэффициента объемного расширения и других свойств жидкости. В
частности, при наличии фазовых переходов (кипения, конденсации), от теплоты парообразования r, коэффициента поверхностного натяжения
и т. д.
5. Геометрические размеры, форма, ориентация поверхностности теплообмена.
Установлено, что коэффициент теплоотдачи зависит от геометри- ческой формы поверхности тела (плоской, цилиндрической, шаровой или иной), размеров (протяженности поверхности, диаметра трубы или
сферы и т. д.), ориентации поверхности теплообмена (вертикальной, го- ризонтальной с теплоотдачей вверх, горизонтальной с теплоотдачей вниз, наклонной и т. д.).