12. Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой называют теплоотдачей. Именно процесс теплоотдачи и яв­ляется предметом изучения в данной главе.

Интенсивность процесса теплоотдачи принято харак­теризовать коэффициентом теплоотдачи, который равен  = q/(t_ж—t_с), где q — плотность теплового потока на стенке; t_ж — температура жидкости (например, температура среды вдали от стенки, где ис­чезает тепловое возмущение, обусловленное поверхностью тепло­обмена); t_c—температура стенки.

Коэффициент теплоотдачи численно равен плотности теплового потока при температурном напоре 1 К, его единица измерения Вт/(м²К).

Исторически понятие коэффициента теплоотдачи связано с законом Ньютона — Рихмана, выражением кото­рого является равенство (23.1). Однако следует иметь в виду, что выражение (23.1) не является простой фи­зической закономерностью, выражающей сущность про­цесса теплоотдачи. Роль коэффициента теплоотдачи а отнюдь не аналогична роли, например, теплопроводнос­ти , в законе Фурье. В то время как величина  есть теплофизический параметр среды (вещества), который может быть взят из справочных таблиц, коэффициент теплоотдачи  представляет собой сложную функцию тепловых и динамических процессов, развивающихся в среде в непосредственной близости от поверхности теп­лообмена.

Коэффициент теплоотдачи  определяют три группы факторов. Во-первых, геометрические факторы, связан­ные с конфигурацией системы конвективного теплообме­на: течение жидкости вдоль плоской поверхности, поток в трубе (или в продольных межтрубных каналах), по­перечное обтекание труб и трубных пучков и т. д. Во-вторых, гидродинамические факторы, обусловленные прежде всего наличием двух режимов течения — лами­нарного (при малых значениях числа Re) и турбулент­ного (при больших значениях числа Re). Механизм теп­лообмена в двух этих случаях существенно различен. Кроме того, в пределах каждого режима течения имеет­ся связь коэффициента теплоотдачи  со скоростью по­тока, качественно одинаковая для обоих режимов — при возрастании скорости потока коэффициент  увеличи­вается. Однако количественные характеристики для ла­минарного и турбулентного режимов различны.

Наконец, третью группу факторов составляют тепло-физические свойства среды — плотность, изобарная теп­лоемкость, вязкость и теплопроводность. Они сложным образом влияют на коэффициент теплоотдачи. При про­чих равных условиях для среды с более высокой тепло­проводностью характерны более высокие значения коэф­фициента теплоотдачи. Вязкость оказывает косвенное влияние на интенсивность теплоотдачи: при меньшей вязкости в потоке формируется более благоприятный для повышения теплоотдачи профиль скорости.

Особый случай представляет собой так называемая гравитационная свободная конвекция, которая происхо­дит под действием сил тяжести в среде с неоднородным распределением плотности жидкости. Неоднородность плотности может явиться следствием неоднородности температурного поля. В данном случае проявляется су­щественное влияние теплообмена на поле скорости в жидкости. Обычно поле скорости формируется под вли­янием внешних причин, вызывающих движение сре­ды, — работа насоса, вентилятора и т. п. В таких случа­ях происходит вынужденная конвекция. Как правило, при прочих равных условиях интенсивность теплоотда­чи при вынужденной конвекции выше, чем при свобод­ной.

Численные значения коэффициента теплоотдачи , Вт/(м²-К), изменяются в широких пределах: при сво­бодной конвекции воздуха — 5—25, воды — 20—100; при вынужденной конвекции воздуха — 10—200, воды — 50—10 000; для кипящей воды —3000—100 000; для кон­денсирующего водяного пара — 5000—100 000.

Процессы конвективного теплообмена весьма часто встречаются в технике, как составная часть они входят также в природные процессы, происходящие в результа­те воздействия технических устройств на окружающую среду. Поэтому задача определения коэффициента теплоотдачи очень важна. Особенности движения вязкой жидкости в непосредственной близости от стенки позво­ляют установить связь коэффициента теплоотдачи с тем­пературным полем в жидкости, которое может быть найдено в результате ре­шения уравнения энергии и уравнений гидромеханики. На рис. показано температурное поле вблизи холодной стенки, вдоль которой течет нагретая жид­кость. Благодаря выполнению условия прилипания час­тицы жидкости, находящиеся в непосредственной бли­зости к твердой поверхности тела, образуют тонкий неподвижный слой. В неподвижной среде, как известно, перенос теплоты осуществляется только путем теплопро­водности, поэтому можно записать: , где индекс n=0 означает, что берется значение градиента температуры на стенке;  – теплопроводность жидкости.

С другой стороны, плотность теплового потока на стенке может быть выражена по закону Ньютона – Рихмана: .

Из двух приведенных выражений получаем уравнение (23.2), которое устанавливает связь между коэффициентом теп­лоотдачи и температурным полем в жидкости.

Уравнение (23.2) сводит задачу нахождения коэф­фициента теплоотдачи к основной задаче теории тепло­обмена — определению температурного поля.