4. Общие сведения о конвекции

Процесс передачи теплоты в газах и жидкостях, включающий теплопроводность, называют конвекцией.

Передача теплоты конвекцией связана с переносом самой среды, поэтому интенсивность передачи теплоты зависит от харак­тера движения и физических свойств среды. При ламинарном режиме движения газа или жидкости перемешивания среды не наблюдается, и теплота от потока к поверхности передается теплопроводностью. При турбулентном движении частицы среды непрерывно перемещаются от центра потока к поверхности, что резко интенсифицирует передачу теплота. Следует иметь в виду, что и при турбулентном движении у самой поверхности сохраняется тонкий слой с ламинарным движением, через который теплота передается теплопроводностью. Чем выше турбулентность потока, тем тоньше слой и тем интенсивнее передается теплота. Тепловой поток конвекцией от газа или жидкости к поверх­ности или, наоборот, от поверхности к газу или жидкости, Вт,

где а_к —коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²·К);

t ₁ — t₂ — разность температур, °С;

F — площадь поверхности теп­лоотдачи, м².

По коэффициенту теплоотдачи конвекцией можно судить об интенсивности теплопередачи, т. е. о том, какое количество те­плоты в Дж передается через поверхность, равную 1 м², за 1 с при разности температур между газом и поверхностью, составля­ющей 1 °С.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией зависит от формы, размера и температуры поверхности твердого тела и от скорости, температуры, теплоемкости и теплопроводности движущегося газа. Коэффициент теплоотдачи конвекцией учитывает передачу теплоты также и теплопроводностью.

Ниже рассмотрены некоторые закономерности теплоотдачи конвекцией для стационарного температурного поля. Различают конвекцию при свободном и вынужденном движениях газа.

5. Конвекция при свободном движении

Свободным называется движение газа или жидко­сти, вызванное разностью плотностей нагретых и холодных ча­стиц. Примером свободного движения является движение воздуха у наружной поверхности печи. Температура стенки печи выше температуры воздуха, поэтому слои воздуха, соприкасающиеся с печью, нагреваются, их плотность уменьшается, и они подни­маются. На их место поступают новые, более холодные объемы, которые также нагреваются и поднимаются. Поэтому до тех пор, пока имеется разность температур стенки печи и окружающего воздуха, воздух будет перемещаться.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией при свободном движе­нии газа зависит от расположения поверхности в пространстве. Например, верх печи охлаждается интенсивнее, чем низ. Это объясняется тем, что в первом случае условия для подхода холод­ного воздуха и отхода горячего лучше, чем во втором (рис. 35).

В зависимости от расположения поверхности в пространстве коэффициент теплоотдачи конвекцией при свободном движении газа

где п — коэффициент, зависящий от расположения поверхности в про­странстве (2,6 - для вертикальной по­верхности; 3,3 - для горизонтальной поверхности, обращенной вверх; 1,6 - для горизонтальной, обращенной вниз);

t ₁ — t₂ — разность темпера­тур поверхности и газа.

Рисунок 35 - Свободное движение газа около на­гретый поверхностей