КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

 

В практике наиболее часто приходится рассчитывать конвективный теплообмен между жидкостью (газом) и поверхностью твердого тела или канала (трубы), по которому она протекает. Если при этом температура стенки отличается от температуры движущейся среды, то между ними происходит конвективный теплообмен, называемый теплоотдачей.

Конвективный теплообмен представляет собой сложный процесс, зависящий от многих факторов: режима движения среды, скорости, физических свойств среды, размеров и формы обтекаемой стенки, степени ее шероховатости, температур жидкости (газа) t_ж и стенки t_с и т. п.

В зависимости от причины возникновения течения жидкости (газа) относительно стенки различают свободное (вследствие разности плотностей нагретых и холодных частей) и вынужденное (под действием ветра, насоса, компрессора, вентилятора и т. д.) движение среды. В связи с этим конвекция может быть свободной или вынужденной.

На интенсивность процесса конвективного теплообмена существенное влияние оказывает режим движения жидкости: ламинарный и турбулентный. При ламинарном (слоистом) режиме частицы жидкости (газа) движутся упорядоченно вдоль стенок канала. Отдельные части жидкости не перемещаются в направлении, перпендикулярном направлению движения. Перенос теплоты от потока жидкости к стенке в условиях ламинарного режима осуществляется исключительно теплопроводностью.

Турбулентный режим течения жидкости (газа) характеризуется хаотическим перемещением ее отдельных частиц, интенсивным перемешиванием потока. Перенос теплоты от жидкости к стенке также осуществляется путем перемешивания и отличается большей интенсивностью, чем при ламинарном режиме. Однако и при турбулентном режиме течения вблизи стенки канала образуется тепловой пограничный слой (рис. 33), то есть жидкость как бы налипает на стенку.

Характерной особенностью теплового пограничного слоя является то, что в нем имеет место большой поперечный градиент температуры, определяющий поперечный перенос теплоты от жидкости к стенке или наоборот. В пограничном тепловом слое перенос теплоты осуществляется теплопроводностью, то есть так же, как и при ламинарном режиме.

Для определения теплового потока Q (Вт) надо знать градиент температуры и толщину пограничного слоя d (м). Измерить эти величины технически сложно. Поэтому тепловой поток при конвективном теплообмене рассчитывают по формуле Ньютона:

 

Q = a F (t_ж – t_с), (148)

 

где a – коэффициент теплопередачи, Вт/(м ^. К); F – площадь поверхности теплообмена, м²; t_ж, t_с – температура соответственно потока жидкости (газа) и стенки, ⁰С.

Рис. 33. Характер изменения температуры в пограничном слое.

 

Численное значение коэффициента теплоотдачи a равно количеству теплоты, отдаваемой (или воспринимаемой) 1 м² поверхности теплообмена в единицу времени (1 с) при разности температур между поверхностью и жидкостью в 1 К. Оно зависит от размеров поверхности, ее температуры t_c, скорости течения жидкости w, температуры жидкости t_ж, коэффициента теплопроводности l, теплоемкости c_p1, плотности r и т. д. Значения коэффициента теплоотдачи определяют опытным путем, а при расчетах пользуются справочными таблицами.