4.1.3 Конвективный теплообмен в плоском пограничном слое и трубах при ламинарном и турбулентном режимах течения.

При конвекции перенос теплоты происходит макрообъемными частицами потока теплоносителя. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Как известно, теплопроводность – явление молекулярное, конвекция – явление макроскопическое, при котором в переносе теплоты участвуют целые слои теплоносителя с разными температурами. Конвекцией теплота переносится намного быстрее, чем теплопроводностью. Конвекция у поверхности стенки аппарата затухает.

Конвективный перенос теплоты описывается уравнением Фурье-Кирхгофа.

Однако это уравнение приходится решать совместно с уравнением Навье-Стокса (ламинарный режим) и Рейнольдса (турбулентный режим), а также уравнением неразрывности. Возникает так называемая сопряженная задача. В последнее время разработаны аналитические решения основных задач теплоотдачи к ламинарным потокам жидкости с учетом зависимости физических свойств жидкости от температуры. Для турбулентных течений все сложнее, однако, можно использовать приближения, численные решения с помощью компьютерных технологий.

Для упрощения описания процесса переноса тепла, часто рассматривают модель пограничного слоя. По этой модели около стенки существует пограничный слой толщиной (дельта), в котором механизм переноса только молекулярный, т.е. тепло передается теплопроводностью.

Для интенсификации процесса теплообмена необходимо уменьшить величину пограничного слоя.

В общем случае для определения коэффициента теплоотдачи используется обобщенная критериальная зависимость:

Здесь

– критерий Нуссельта, который характеризует подобие процессов теплопереноса не границе между стенкой и потоком жидкости.

– критерий Фурье, необходимое условие подобия неустановившихся процессов теплообмена.

– критерий Прандля, характеризует подобие физических свойств теплоносителей в процессах конвективного теплообмена.

– критерий Рейнольдса, характеризует меру отношения сил инерции к силам вязкого трения.

– критерий Фруда, отражает влияние сил тяжести на движение жидкости.

В случае установившегося напорного течения жидкости по трубам критериальное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи принимает вид:

(4.31)

Множителем (отношение прандля) учитывается различие поля температур, вязкости и толщины пограничного слоя при нагревании и охлаждении теплоносителя.

Для примера в турбулентном режиме для расчета при движении потока вдоль плоской стенки предлагается формула:

(4.34)

При развитом турбулентном течении в трубах и каналах рекомендуется формула:

(4.35)

Если , то , если , то