2.2. Конвективный теплообмен (теплоотдача)

Закон Ньютонеа-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Режимы движения жидкости. Гидродинамический и тепловой пограничные слои. Основы теории подобия. Критериальные уравнения, обобщение опытных данных на основе теории подобия. Теплоотдача при свободной и вынужденной конвекции. Теплоотдача при кипении и конденсации.

По теме предусмотрена одна лабораторная работа и задачи контрольной работы. После изучения теоретического материала следует ответить на вопросы для самопроверки. Более подробная информация по теме – в источниках [1], [3].

2.2.1. Основные понятия и определения

Конвективный теплообмен представляет собой сложный процесс, при кото-ром теплота передается за счет перемещения объемов жидкости (газа) и одно-временно за счет теплопроводности между неравномерно нагретыми частицами жидкости. Причиной конвективного теплообмена является неравномерность температурного поля внутри жидкой или газообразной среды (теплоносителя). Математический анализ конвективного теплообмена чрезвычайно сложен.

Теплоотдача, характеризующая конвективный теплообмен между потоком движущейся жидкости (газа) и поверхностью омываемого ею тела, участвует в работе промышленного оборудования и часто определяет его эффективность.

Практические расчеты теплоотдачи основываются на законе Ньютона-Рихмана, полученном на основании обобщения опытных данных. Согласно этому закону полный тепловой поток Q, Вт, отдаваемый в процессе теплоотдачи, пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур поверхности тела t_c и омывающей ее среды t_ж (температурному напору):

Q = α F (t_c - t_ж), (2.39)

где α – коэффициент теплоотдачи, характеризующий интенсивность процесса теплообмена. Размерность α - Вт/(м²∙К), т.е это - количество теплоты, которое в единицу времени отдается единицей поверхности тела при разности температур поверхности тела и омывающей среды в один градус. Разность температур в соотношении (2.39) берут по абсолютной величине с учетом, что теплота распро-страняется самопроизвольно в сторону убывания температуры.

Величина коэффициента теплоотдачи  сложным образом зависит от мно-гих факторов: природы и режима движения, теплофизических свойств жидкости, температуры, формы и размеров поверхности теплообмена, ее положения в прос-транстве и др. По природе возникновения различают свободное (естественное) и вынужденное движение жидкости. Вынужденное движение создается внешними источниками (насосом, вентилятором и др.); свободное движение возникает за счет разности плотностей нагретых и холодных слоев жидкости, т. е. под действием архимедовых сил.

Режим движения жидкости имеет решающее значение в процессах тепло-отдачи, так как определяет физический механизм переноса теплоты. Различают два характерных режима движения - ламинарный и турбулентный. При лами-нарном режиме частицы жидкости движутся по упорядоченным траекториям. Перенос теплоты осуществляется за счет соприкосновения частиц и слоев жидкости, т. е. за счет ее теплопроводности. В турбулентном режиме частицы жидкости движутся беспорядочно, по случайным траекториям, быстро меняю-щимся во времени, перенос теплоты происходит в основном за счет интенсивного перемещения частиц жидкости, т. е. за счет конвекции.

В разделе 3 опорного конспекта показано, что течение вязкой жидкости вдоль обтекаемой поверхности может быть ламинарным или турбулентным. Заторможенный слой у твердой поверхности называется пограничным. Внутри ламинарного слоя теплота переносится вследствие хаотического движения молекул, т.е. теплопроводностью жидкости. В турбулентном пограничном слое поперек него перемещаются и переносят теплоту крупные частицы жидкости, интенсивность теплообмена возрастает.

Из многообразия физических свойств жидкости наибольшее влияние на процесс теплоотдачи оказывают следующие параметры: плотность ρ_ж, кинема-тическая вязкость ν_ж, коэффициент теплопроводности λ_ж, температуропровод-ность а_ж, теплоемкость с_ж. Кроме того, коэффициент теплоотдачи зависит от скорости течения, от геометрических размеров, формы и положения тела.

Задача расчета конвективного теплообмена - определение коэффициента теплоотдачи .