Загальні відомості

Конвекція, як один з видів перенесення теплоти, здійснюється об’ємами рухомого середовища, як правило, газу чи рідини.

Передача теплоти шляхом конвекції пов’язана з теплопровідністю всередині об’єму газу, що рухається. Одночасний процес перенесення теплоти шляхом конвекції та через теплопровідність називається конвективним теплообміном.

Розрізняють примусову і вільну конвекцію. Примусова створюється вентилятором, а вільна - за рахунок різниці густин холодних і нагрі­тих частин. При цьому виникає підйомна сила, під дією якої нагріті частинки газу чи рідини піднімаються вгору, а їх місце займають менш нагріті.

Перенесення частинок повітря супроводжується перенесенням теплоти. Інтенсивність вільного руху залежить від різниці температур теплообмінної поверхні і навколишнього середовища, властивостей середовища, форм і розміру поверхні та її орієнтації.

Кількість теплоти Q, відданої нагрітим тілом при вільному русі рідини чи газу, визначають за формулою Ньютона-Ріхмана:

, (4.1)

де  - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м² К; F - площа поверх­ні тіла, м² ; t_с- середня температура поверхні тіла, °С ; t_р-температура рідини (повітря) на відстані від поверхні, °С.

Значення F, t_с, t_р легко виміряти в кожному конкретному випадку. Визначення коефіцієнта тепловіддачі  пов’язано із значними труднощами і теоретично в більшості випадків неможливе. Тому його розраховують на основі експериментальних досліджень, використовуючи рівняння (4.1) і вимірявши попередньо Q, F, t_с, t_р:

. (4.2)

Коефіцієнт тепловіддачі чисельно дорівнює кількості теплоти, що віддає, або приймає одиниця поверхні за одиницю часу_ при різниці температур між поверхнею тіла і навколишнім середовищем 1 градус.

На основі узагальнення експериментального матеріалу запропоно­вані рівняння теорії подібності, які спрощують визначення коефіці­єнта тепловіддачі для подібних задач. Залежність між фізичними ве­личинами, що характеризують процес конвективного теплообміну при ві­льній конвекції, можна представити залежністю між критеріями подіб­ності :

, (4.3)

де Nu - критерій або число Нуссельта; Gr - критерій Грасгофа;Pr – критерій Прандтля; С і n – експериментальні коефіцієнти.

Критерій Нуссельта характеризує інтенсивність конвективного

теп­лообміну на межі стінка - середовище, тобто, в примежовому шарі:

. (4.4)

Критерій Грасгофа характеризує відношення підйомної сили, викликаної різницею густин холодних і нагрітих частинок рідини, до сили молекулярного тертя (сили в'язкості):

. (4.5)

Критерій Прандтля характеризує фізичні властивості рідини (газу) щодо розповсюдження в ній теплоти:

. (4.6)

У формулах (4.4 ...4.6) d - діаметр труби, м ; λ - коефіцієнт теплопровідності, Вт/м·К; g - прискорення сили тяжіння, 9,81 м/с² .

- температурний коефіцієнт об’ємного роз­ширення для повітря, 1/К; ν- коефіцієнт кінематичної в’язкості рідини, м²/с; - коефіцієнт температуропровідності, м²/с ; C_p - масова теплоємність рідини, Дж/кг∙К; - визначальна температура примежового шару, при якій вибираються всі фізичні величини ν , d , С_р , ρ, λ, °С; - температурний напір, °С.

У даній роботі визначаються середній коефіцієнт тепловіддачі , при вільній конвекції повітря біля горизонтальної труби та вплив температурного напору на інтенсивність тепловіддачі.