13. Конвективный теплообмен. Основные уравнения конвективного теплообмена.

Процессы конвективного теплообмена происходит в результате движения газа (жидкости) и всегда тесно связаны соответственными процессами теплопроводности и диффузии. В зависимости от причины, которой обусловлено движение жидкости (газа) различают вынужденную и свободную конвекции или естественную.

Вынужденная конвекция обусловлена внешними по отношению к рассматриваемому процессу причинами, например, действие вентилятора, насоса и т.д.

Свободная конвекция обусловлена самим процессом теплообмена, а именно силами, возникающими в результате неоднородности поля плотности, что в свою очередь связано с неоднородностью поля температур.

Вынужденная конвекция играет основную роль, как правило, в рабочем пространстве, внутри печей.

Свободная конвекция определяется теплоотдачей от внешних ограждений печей в окружающую среду.

Плотность теплового потока существенно зависит от скорости и направления движения жидкости или газа, режима давления, температур поверхностей и жидкости, физических свойств жидкости, от формы и качества поверхности твёрдого тела.

Для описания конвективной теплоотдачи используют формулу Ньютона:

, где

- температурный напор

- коэфф. теплоотдачи

Перенос теплоты через бесконечно тонкий неподвижный слой может осуществляться за счёт теплопроводности, т.е. описывается законом Фурье:

14. Критерия подобия конвективного теплообмена.

Критерий Фурье Является безразмерным временем

В стационарных процессах критерий Фурье не используются, поскольку t-ра не зависит от времени. Поскольку коэф. температуропроводности а – хар-ет интенсивность изменения энтальпии тела, т.е. интенсивность нагрева или охлаждения тела.

Критерий Фурье хар-ет связь между скоростью изменения t-ры тела, его физ-ими хар-ками и размерами

Критерий для конвективного теплообмена (Критерий Пекле): Pe=

Где – скорость движения среды [м/с]

Характеризует соотношение переноса теплоты конвекции с теплопроводностью, т.к. в числителе представлена плотность (на единицу площади сечения) теплового потока, переносимого движущейся средой, в знаменателе плотность теплового потока – теплопроводностью.

Критерий Прандтля:

Где 𝞾 – кинематический коэф. вязкости; а – коэф.температуропров-ти.

Критерий Прандтля явл. мерой соростных и температурных полей.

Поскольку конвекция обязательно связана с движением, которая может быть вынужденной или свободной в пучки вынужденного движения исп. кр. Рейнольдца. Характеризует вынужденное движение, т.к. представляет собой отношение инерционных сил к силам трения.

W – скорость потока газа или жидкости

d – характерный размер потока

𝞾 – кинематический коэф. вязкости [м²/с]

В случае свободного движения используют критерий Грасгоффа :

- коэф. объёмного расширения, который характеризует меру отношения подъёмной силы к силе вязкого трения при свободном движении.

Критерий Нуссельта:

хар-ет связь между интенсивностью теплоотдачи и температурным полем вблизи нагреваемой (охлаждаемой) поверхности. Т.е. хар-ет передачу теплоты от окружающей среды к поверхности материала. По записи кр. Нуссельта схож с кр. Био. Однако кр. Био хар-ет внутреннюю задачу, т.к. рас-ся теплопроводность λ тела, а в кр. Нуссельта фигурирует температура окружающей среды, от которой передаётся теплота к поверхности тела. При конвективной теплоотдаче основной задачей явл. определение коэф. теплоотдачи λ. Поэтому опытные данные обычно обрабатывают в виде критерийных уравнений, а именно

или

1. Для стационарного процесса Nu=f(Re,Pe,Gr)

2. Для вынужденной конвекции Nu=f(Fo,Re,Pe)

3. Для свободной конвекции Nu=f(Fo,Pe)