2. Теоретичні основи роботи

Перенесення теплоти від твердого тіла до рідини або газу або у зворотному напрямі при русі частинок рідини називається конвективним теплообміном. Останній складається з теплопровідності, що спільно відбуваються, і конвекції. При теплопровідності перенесення теплоти відбувається шляхом - безпосереднього зіткнення між частинками речовини і визначається різницею температур і коефіцієнтом теплопровідності. Процес конвекції полягають в тому, що перенесення теплоти відбувається завдяки переміщенню макрочасток рідини і залежить від виду руху (вільне або вимушене), його режиму, фізичних властивостей рідини, форми і розмірів поверхні твердого тіла і т.п. Вимушений рух рідини викликається роботою насоса, вентилятора і ін. механічних засобів. Вільний рух (природна конвекція) обумовлений різницею щільності нагрітих і холодних частині рідини, що є наслідком процесу теплообміну при зіткненні гелю і рідини, що оточує його, із-за різниці їх температур.

Шари повітря, стикаючись з поверхнею нагрітої труби, нагріваються і легшають. Унаслідок неоднакової щільності частинки повітря приходять в рух: більш легені піднімаються вгору, а на їх місце поступають холодніші. Таким чином, частинки рідини переносять отриману ними від поверхні труби теплову енергію. В результаті цього відбувається теплообмін між трубою і повітрям, що оточує її, при природній (вільною) конвекції.

Кількість теплоти, передана трубою, залежить від швидкості переміщення повітря, а швидкість переміщення тим більше, чим більше різниця температур між поверхнею труби і повітрям. Інтенсивність тепловіддачі залежить також і від інших чинників (фізичних властивостей середовища, форми поверхні тіла, його орієнтації в просторі і ін.).

Залежно від значення цих чинників рух повітря у поверхні труби має різний режим. Можливі ламінарний, перехідною і турбулентний режими руху. Із зміною режиму руху змінюється і інтенсивність тепловіддачі, яка характеризується коефіцієнтом тепловіддачі а.

Кількість теплоти, передана в одиницю часу (тепловий потік), нагрітим тілом шляхом конвективної тепловіддачі, підкоряється закону Ньютона-Ріхмана

, Вт (1)

де α - коефіцієнт тепловіддачі від труби до рідини; значення його рівне тепловому потоку, відданому з одиниці поверхні при різниці температур між поверхнею тіла і рідиною в один градус Кельвіна, Вт/(м²·к) ; F- площа поверхні теплообміну, м²; Δt - температурний натиск, тобто різниця середніх температур тепловіддаючій поверхні і рідини, До.

Коефіцієнт тепловіддачі б залежить від багатьох чинників: температур тіла і рідини, швидкості її руху і в'язкості, шорсткості тіла і т.д. Експериментально коефіцієнт тепловіддачі визначається зазвичай не на промислових зразках теплових пристроїв, а на їх моделях. Це дозволяє за допомогою теорії подібності встановлювати критерійні рівняння, що визначають залежність між безрозмірними комплексами величин, що отримали назву чисел подібності.

Для конвективного теплообміну при вільній конвекції такими числами подібності є:

1.Число Нуссельта, що характеризує теплообмін на межах твердого тіла і рідкого середовища і відношення внутрішнього і зовнішнього опорів, що є, теплообміну

(2)

де l - характерний геометричний розмір системи (для горизонтальної труби - її діаметр d; для вертикальних поверхонь, зокрема труб - висота h), м; л - коефіцієнт теплопровідності рідини, Вт/(м·К).

2. Число Грасгофа, що характеризує відношення сил інерції і підйомної сили

(3)

де g - прискорення вільного падіння, м2/с; у - температурний коефіцієнт об'ємного розширення рідини, 1/К ; для повітря β=1/(t + 273); Δt - розрахунковий температурний натиск, До; v - коефіцієнт кінематичної в'язкості рідини, м2/с.

3. Число Прандтля, що є теплофізичною характеристикою рідини

P_r=v/a, (4)

де а - коефіцієнт температуропровідності, м²/с.

Згідно теорії подібності для випадку природної конвекції між вказаними числами подібності існує залежність

(5)