4.Конвективный теплообмен

Теплообмен при движении жидкости и/или газа. Перенос тепла одновременно конвекцией и теплопроводностью. Бывает в однофазной среде и при фазовых превращениях (кипение ,конденсация с выделением либо поглощением тепла фазовых переходов).

Различают вынужденную и естественную конвекции (за счет внешних сил, например, обдува вентиляторами; или за счет разности плотности среды, существенно зависящей от температуры).

В реальных жидкостях (и газах) при их движении с различными скоростями всегда возникают силы внутреннего трения. В отличие от теплопроводности твердых тел появляется еще и коэффициент вязкости жидкостей или газов и соответственно новые, дополнительные безразмерные критериальные параметры. (В жидкостях вязкость падает с ростом температуры, а в газах – наоборот).

При соприкосновении частиц жидкости с поверхностью твердого тела, как подтверждено неоднократно, они “ прилипают “ к ней.

Согласно закону трения Ньютона при неподвижной нижней пластине a отношение силы, приложенной к верхней пластине b, движущейся со скоростью W_x , к ее площади ( касательное напряжение )

τ =µdw_x /dy , … (37)

где w_x – компонента скорости перемещения жидкости в направлении движения пластины;

µ - коэффициент динамической вязкости, нс/м² (ν=µ/ρ – коэффициент кинематической вязкости, м²/с).

Разумеется, усложняется и само дифференциальное уравнение процесса теплопроводности. В движущейся жидкости уравнение теплопроводности для твердого тела (3) взамен дt/дτ в левой части уравнения имеет вид Dt/dτ , где

Dt/dτ = дt/дτ + W_xдt/дx + W_yдt/дy + W_zдt/дz , … (38)

а W_x = dx/dτ , W_y = dy/dτ , W_z = dy/dτ - составляющие скорости.

Это есть полная производная от температуры по времени (субстанциональная производная).

Критериальные параметры , дополняющие , определяющие теплообмен при конвекции , это :

- Nu = αL/λ_ср.- критерий Нуссельта ,критерий теплоотдачи. Он характеризует теплообмен на границе ‘’стенка-жидкость’’. Обычно определяемый критерий ,т. к. в него входит определяемая величина α. Существенно отличается от критерия Био Bi = αL/λ ,в котором λ –коэффициент теплопроводности твердого тела , а не среды λ_ср. Кроме того, обычно в критерии Вi величина α уже задана, т. е. уже, как величина определяющая. (L – характерный размер ,например, диаметр объекта).

- Re = wL/ν – критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и сил вязкости. При значениях критерия Re ≤2320 режим течения в трубах ламинарный , больше – турбулентный.

- Gr = gβL³(t_ст –t_ср )/ν² – критерий Грасгофа, критерий подъемных сил вследствие разности плотностей жидкости при разных температурах стенки и среды.

- Pr =ν/ϰ – критерий Прандтля, критерий физических свойств жидкости.

Есть и другие критерии, но они здесь не рассматриваются.

Критерии разделяются на определяемые и определяющие. Для конвективного теплообмена обычно уравнения имеют вид

Nu=C(ReⁿGr^mPr^l), …(39)

где С, n ,m ,l - постоянные, приводимые в справочной литературе для очень широкого спектра задач.