1. Теоретическая часть

1.1. Конвективный теплообмен

Конвективным теплообменом называется одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью.

В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.

Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция).

Движение, создаваемое вследствие разности давлений, которые создаются насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция).

Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным.

Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным.

Большое влияние на конвективный теплообмен оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности (λ), удельная теплоемкость (с_р), плотность (ρ), коэффициент температуропроводности (а = λ/(ρ c_р), коэффициент динамической вязкости (μ) или кинематической вязкости (ν = μ/ρ), тεмпературный коэффициент объемного расширения (β = =1/(t+273)).

Процесс теплообмена между поверхностью тела и средой описывается законом Ньютона–Рихмана, согласно которому количество теплоты, передаваемой конвективным теплообменом прямо пропорционально разности температур поверхности тела (t_'ст) и окружающей среды (t_'ж):

Q = α (t_'ст – t_'ж)·F , (1)

или

q = α (t_'ст – t_'ж) , (2)

где коэффициент теплоотдачи α [Вт/(м^{2 о}C)] характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Факторы, которые влияют на процесс конвективного теплообмена, включаются в этот коэффициент теплоотдачи. Тогда коэффициент теплоотдачи является функцией этих параметров и можно записать эту зависимость в виде следующего уравнения:

α = f₁(Х; Ф; l_o; x_c; y_c; z_c; w_o; θ; λ; а; с_р; ρ; ν; β) , (3)

где Х – характер движения среды (свободная, вынужденная); Ф – форма поверхности; l_o – характерный размер поверхности (м) (длина, высота, диаметр и т. д.); x_c; y_c; z_c – координаты (м); w_o – характерная скорость течения (м/c); θ = (t_'ст – t_'ж) – температурный напор (^oС); λ – коэффициент теплопроводности Вт/(м²·^oС); а – коэффициент температуропроводности (м²/с); с_р – изобарная удельная теплоемкость (Дж/(кг·^oС); ρ – плотность (кг/м³); ν – коэффициент кинематической вязкости (м²/с); β – температурный коэффициент объемного расширения (1/ ^oС).

Уравнение (3) показывает, что коэффициент теплоотдачи величина сложная, и для её определения невозможно получить общую формулу. Поэтому для определения коэффициента теплоотдачи применяют экспериментальный метод исследования.

Достоинством экспериментального метода является достоверность получаемых результатов.

Основной недостаток этого метода в том, что результаты конкретного эксперимента не могут быть использованы для другого явления, которое в деталях отличается от изученного. Поэтому выводы, сделанные на основании анализа результатов данного экспериментального исследования, не допускают распространения их на другие явления. Следовательно, при экспериментальном методе исследования каждый конкретный случай должен служить самостоятельным объектом изучения.