15. Теплообмен при свободном движении жидкости в большом объёме.

Свободное движение или конвективный теплообмен в свободном потоке возникает в связи с изменением плотности жидкости от нагре­вания. Свободная конвекция имеет место у нагретых стен печей, трубопроводов, у батарей центрального отопления, в холодильниках и др. Этот вид теплообмена играет боль­шую роль как в промышленности, так и в быту. Свободный тепло­обмен возникает в неравномерно нагретом газе или жидкости, нахо­дящихся как в ограниченном, так и в неограниченном пространстве. Если тело имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, то слои жидкости, нагреваясь от тела, становятся легче и под дейст­вием возникающей подъемной силы поднимаются вверх, а на их место поступают из окружающего пространства более холодные слои. По­этому и возникает свободное движение.

Рассмотрим свободный теплообмен в неограниченном пространстве у вертикальной плиты или трубы.

Возникающее свободное движение жидкости у вертикальных по­верхностей может быть как ламинарным, так и турбулентным. Ха­рактер движения жидкости в основном зависит от температурного на­пора , где t_ст – температура нагретой поверхности, t_ж – температура неподвижной жидкости вдали от поверхности. При малых значениях температурного напора вдоль всей поверхности на­блюдается ламинарное движение жидкости. При больших температурных напорах преобладает турбулентный режим движения.

Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при свободном ламинарном движении жидкости вдоль вертикальных стенок можно использовать следующие уравнения

при t_ст=const

;

при q_ст=const

.

Формулы получены для теплоносителей с числом Прандтля от 0,7 до 3·10³ и при 10³< <10⁹.

Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при свободном турбулентном движении жидкости вдоль вертикальной стенки, которое наступает при числах > 6·10⁶, следующая формула

На рис. 2 показан характер свободного движения жидкости около горячих горизонтальных труб различных диаметров. У труб малого диаметра восходящий поток сохраняет ламинарный режим даже вдали от трубы. При большом диаметре переход в турбулентный режим может происходить в пределах поверхности самой трубы.