Раздел 3. Конвективный теплообмен

3.1 Основные положения учения о конвективном теплообмене

Конвективным теплообменом называется процесс передачи теплоты в жидкостях и газах, связанный с перемещением макроскопических объемов этих сред. Поскольку при этом имеет место и теплопроводность, конвективный теплообмен, по сути, представляет собой совместный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью (совместное действие макро и микро структурных элементов среды). Перенос теплоты при конвективном теплообмене обусловлен разностью температур между двумя точками объема жидкости и сопровождается переносом вещества.

Конвективный теплообмен может наблюдаться как в объеме жидкости (газа), так и между жидкостью и ограничивающей ее поверхностью. Конвективный теплообмен между потоком жидкости и поверхностью твердого тела называется конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.

Движение жидкости вдоль стенки может быть свободным или вынужденным.

Если жидкость с неоднородным распределением температур и, как следствие, неоднородным полем плотности находится в поле земного тяготения, возникает гравитационное движение. Имеет место свободная (гравитационная) конвекция.

Если движение жидкости вызвано разностью давлений или кинетических энергий, сообщенной жидкости ранее, или действием силы тяжести при течении пленки жидкости по наклонной стенке, то конвективный теплообмен называется вынужденной конвекцией.

Рис. 3.1. Схема движения жидкости при обтекании поверхности

При обтекании твердой поверхности потоком жидкости или газа вблизи поверхности вследствие проявления сил вязкости происходит резкое снижение скорости и на поверхности тела она становится равной нулю. На начальном участке образуется ламинарный пограничный слой, толщина которого увеличивается по мере удаления от входной кромки. Увеличение толщины пограничного слоя приводит к уменьшению его устойчивости и на расстоянии L_кр ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный слой. При этом, у поверхности стенки сохраняется ламинарный подслой. Ламинарный подслой тоньше ламинарного слоя, поэтому интенсивность теплоотдачи при турбулентном пограничном слое выше, чем при ламинарном слое.

Аналогично развитию динамического пограничного слоя происходит формирование теплового пограничного слоя, определяющего изменение температур по сечению потока по мере его продвижения вдоль пластины. Границы динамического и теплового пограничного слоя могут совпадать или не совпадать.

Факторы, определяющие интенсивность конвективного переноса теплоты в поперечном направлении:

• Скорость движения среды. Теплоотдача сопровождается движением жидкости. Поэтому важную роль в теплоотдаче играет режим движения жидкости. В ламинарном потоке теплота передается в основном теплопроводностью. В турбулентном потоке конвективный перенос играет определяющую роль. Жидкости газы имеют небольшие коэффициенты теплопроводности, поэтому ламинарная часть потока создает большое термическое сопротивление потоку теплоты. Любые факторы, способствующие перемешиванию жидкости, в том числе и турбулентность, создают благоприятные условия для распространения теплоты в жидкости. Увеличение скорости движения среды приводит к уменьшению толщины пограничного слоя, снижению его термического сопротивления и, как следствие, увеличению интенсивности переноса теплоты.

• Вязкость среды. Вязкость жидкости оказывает влияние на толщину пограничного слоя и условия перемешивания жидкости. При прочих равных условиях в более вязкой жидкости образуется более толстый пограничный слой, а условия перемешивания становятся менее благоприятными. Поэтому в вязких жидкостях теплоотдача протекает менее интенсивно.

• Плотность среды. С увеличением плотности среды увеличивается толщина пограничного слоя и уменьшается интенсивности переноса теплоты. Разность плотности теплоносителей создает подъемную силу и следовательно влияет на интенсивность свободного движения.

• Коэффициент теплопроводности жидкости. Теплопроводность жидкости влияет на термическое сопротивление ламинарной части потока. С увеличением коэффициента теплопроводности жидкости уменьшается термическое сопротивление переносу теплоты и увеличивается интенсивности переноса теплоты.

• Теплоемкость жидкости. При перемешивании жидкости с большей теплоемкостью переносится больше теплоты и следовательно интенсивность теплоотдачи также возрастает.

• Температуры жидкости и стенки. Значения теплофизических свойств зависят от температур стенки и жидкости и в конечном итоге отражаются на интенсивности теплоотдачи.

• Форма поверхности теплообмена. Определяет формирование пограничного слоя у поверхности теплообмена. Удобно обтекаемые тела имеют значительную поверхность, покрытую ламинарным пограничным слоем и, следовательно, неблагоприятные условия для теплообмена.

• Размеры тела. Определяет формирование пограничного слоя у поверхности теплообмена и интенсивность переноса теплоты.

Уже первые опыты по конвективному теплообмену показали, что тепловой поток пропорционален разности температур между жидкостью и поверхностью и величине этой поверхности (закон теплоотдачи Ньютона):

Вт, (3.1)

где - коэффициент пропорциональности, названный коэффициентом теплоотдачи.

Плотность теплового потока:

Вт/м² (3.2)

Отсюда физический смысл коэффициента теплоотдачи:

Вт/м²град

Коэффициент теплоотдачи характеризует количество теплоты передаваемой за одну секунду одному квадратному метру поверхности при разности температур жидкости и поверхности в один градус.

Определение коэффициента теплоотдачи является основной задачей при расчетах конвективного теплообмена.

Для общей ориентации приведен порядок величин коэффициента теплоотдачи (Вт/м²град) для основных случаев конвективного теплообмена:

Свободная конвекция в газах 10-20

Вынужденная конвекция в газах 50-100

Свободная конвекция в жидкостях 500-800

Вынужденная конвекция в жидкостях 1000-5000

Теплоотдача при кипении и конденсации 5000-20000

В основном коэффициенты теплоотдачи определяются экспериментально. Перенести механически полученные в опыте данные на другие случаи теплоотдачи нельзя. Результаты, полученные в единичном опыте, могут быть обобщены на группу подобных явлений с помощью теории подобия.