2.2.5. Теплоотдача при свободной конвекции

Свободная (или естественная) конвекция в жидкости (газе) создается ар-химедовыми силами, которые возникают вследствие изменения плотности. Она определяется разностью температур жидкости и поверхности теплообмена, с которой жидкость соприкасается.

Характерная картина теплоотдачи в неограниченном пространстве при свободном перемещении жидкости вдоль нагретой вертикальной поверхности показаны на рис. 2.6,а. В пограничном (пристенном) слое температура жидкости изменяется от t_c до t_ж, а скорость w от нуля у стенки, где вследствие вязкости жидкости имеет место прилипание, проходит через максимум и на большом удалении от стенки снова равна нулю. Жидкость движется снизу вверх. В пограничном слое может наблюдаться как ламинарный, так и турбулентный режим течения. В нижней части поверхности нагрева режим течения – ламинарный, коэффициент теплоотдачи уменьшается по мере роста толщины пограничного слоя. Если перепад температур и размеры стенки достаточно велики, при некоторой высоте стенки начинается турбулизация пограничного слоя. В переходном режиме свободного движения жидкости коэффициент тепло-отдачи сначала возрастает, а затем оста-ется неизменным по высоте стенки х. Это соответствует стабилизации турбу-

л ентного течения (рис. 2.1,б).

Движение жидкости около нагре-тых горизонтальных пластин зависит от их размеров и расположения (рис. 2.7).

Рис. 2.6. Свободная конвекция Так, если пластина небольших размеров

у вертикальной стенки обращена теплоотдающей поверхностью вверх, то движение происходит по схе-ме, изображенной на рис. 2.2,а, а если размеры пластины велики - по схеме, показанной на рис. 2.2,б. В случае, когда теплоотдающая поверхность обращена вниз, движение жидкости происходит по схеме рис. 2.2,в, коэффициент теплоотдачи примерно на 30 % меньше по сравнению со случаем, когда теплоотдающая поверхность обращена вверх.

Расчет среднего коэффициента теплоотдачи от вертикальных пластин, гори-зонтальных и вертикальных труб при свобо-дной конвекции в неограниченном простран-стве производится по уравнению

Рис. 2.6. Свободная конвекция

у горизонтальной стенки Nu_ж = С (Gr_ж Pr_ж )ⁿ (Pr_ж/Pr_ст )^0,25. (2.53)

Для различных случаев теплообмена постоянные С и n в уравнении (2.53) имеют следующие значения:

- для горизонтальных труб: С = 0,5, n = 0,25;

- для вертикальных пластин и труб: при 10³ < (Gr_ж Pr_ж ) < 10⁷ : С = 0,75, n = 0,25;

при (Gr_ж Pr_ж ) > 10⁷: С = 0,15, n = 0,33.

За определяющую температуру в уравнении (2.53) принята средняя температура жидкости. Определяющий геометрический размер для горизонтальных труб принимается равным диаметру, а для вертикальных пластин и труб - высоте.

Уравнение (2.53) можно использовать для приближенного расчета тепло-отдачи горизонтальных пластин с последующим увеличением коэффициента теплоотдачи на 30%, если греющая поверхность обращена вверх, или уменьшением его на 30%, когда нагретая поверхность пластины обращена вниз. В качестве определяющего размера в этих случаях принимается меньшая сторона пластины.