4.3. Конвективный теплообмен

4.3.1. Основные понятия конвективного теплообмена

Понятие конвективного теплообмена охватывает процесс теплообмена при движении жидкости или газа. При этом процесс переноса тепла осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Под конвекцией тепла понимают процесс переноса тепла частицами газа (жидкости) в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Под теплопроводностью понимают процесс передачи тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих различные температуры.

Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

Конвекция тепла всегда сопровождается теплопроводностью, т.к. при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.

Большое практическое значение имеет процесс теплового взаимодействия между поверхностью твердого тела и потоком газа или жидкости, которые называют теплоносителями.

Например, для камеры сгорания ЖРД имеют место процессы теплообмена между продуктами сгорания и стенкой камеры и теплообмена между стенкой камеры и охлаждающей жидкостью.

Конвективный теплообмен между потоком газа или жидкости и поверхностью твердого тела часто называют конвективной теплоотдачей или теплоотдачей. Обычно при инженерных расчетах определяют теплоотдачу; значение конвективного теплообмена внутри газа (жидкости) может представить при этом косвенный интерес, поскольку перенос тепла внутри жидкости отражается и на теплоотдаче.

Результирующий поток тепла всегда направлен в сторону уменьшения температуры.

Конвективный темплообмен — очень сложный процесс.

Эксперименты и теоретические исследования показывают, что конвективная теплоотдача определяется многими факторами. Главными из них являются:

1) характер и режим движения (вынужденное или свободное движение, ламинарный или турбулентный режим течения);

2) скорость движения теплоносителя;

3) физические свойства и сотояние теплоносителя;

4) форма, состояние и размеры поверхности твердого тела;

5) направление и величина теплового потока.

Аналитическое решение вопросов конвективного теплообмена с учетом влияния всех выше указанных факторов весьма затруднотельно. Во многих случаях приходится прибегать к опыту и использовать теорию подобия.

Решение задачи конвективной теплоотдачи (конвективного теплообмена) сводится к определению теплового потока, идущего от теплоносителя в стенку или обратно. Другими словами, решение задачи конвективной теплоотдачи сводится к определению величины удельного теплового потока q на границе газа (жидкости) и поверхности твердого тела.

Для газовых (и жидкостных) потоков в РД и огнестрельном оружии имеют место вынужденная конвекция (влияние естественной конвекцией пренебрежимо мало) и турбулентный режим течения теплоносителя. Поэтому в дальнейшем будем принимать, в теплоносителе имеет место вынужденная конвекция и режим его течения турбулентный.

При движении теплоносителя на поверхности твердого тела возникает пограничный слой, состоящий из двх частей :

а) турбулентной части и пограничного слоя — переходной зоны от турбулентного течения к ламанарному;

б) ламинарного очень тонкого слоя — ламинарного подслоя.

Перенос тепла, поступающего из ядра потока, в пограничном слое в направлении нормали к стенке осуществляется следующим образом.

В турбулентной части пограничного слоя основное количество тепла переносится за счет тепловой конвекции, путем интенсивного перемешивания частиц жидкости.

В ламинарной части пограничного слоя перенос тепла в направлении нормали к стенке осуществляется в основном путем теплопроводности и определяется коэффициентом теплопроводности газа (жидкости). Величина последнего мала и поэтому интенсивность теплоотдачи определяется термическим сопротивлением ламинарного слоя.