5. 3 Конвективный теплообмен

Тепловой поток , Вт, передаваемый при конвективном теплообмене, определяется по формуле Ньютона

(17)

где — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициен­том теплоотдачи; — температура теплоносителя, С; — температура поверхности стенки, °С; — поверхность соприкосновения теплоносителя со стенкой, м².

Приняв , получим поверхностную плотность теплового потока

. (18)

Из уравнения (18) можно определить разность и температуру стенки

(19)

где — термическое сопротивление стенки при теплоотдаче соприкосновением.

Формулу (17) можно использовать, как при теплоотдаче от жидкости или газа к стенке, так и при теплоотдаче от стенки к жидкости или газу. В обоих случаях принимается абсолютное значение разности температур.

Коэффициент теплоотдачи имеет единицу измерения Вт/(м²К) и представляет собой количество теплоты, проходящей в единицу времени от жидкости (газа) к стенке (или наоборот) через 1 м² поверхности при разности температур жидкости и стенки 1°.

В отличие от коэффициента теплопроводности коэффициент теплоотдачи — очень сложная величина, которой учитываются следующие факторы, обусловливающие протекание конвективного теплообмена: характер движения жидкости или газа (ламинарное или турбулентное) и природа его возникновения; скорость движения жидкости или газа физические параметры жидкости или газа (коэф­фициент теплопроводности , вязкость , плотность , теп­лоемкость , коэффициент объемного расширения , температура жидкости или газа и поверхности ; форма и линейные размеры омываемой жидкостью или газом поверхности ).

Таким образом:

(20)

Для определения величины для различных случаев конвективного теплообмена предложено несколько эмпирических формул, имеющих, однако, ограниченную область применения. Значительно лучшие результаты дает определение величины на основе эксперимента с использованием критериев подобия — безразмерных соот­ношений параметров, характеризующих физический процесс.

Критерий Нуссельта , или критерий теплоотдачи, характеризует интенсивность теплоотдачи на границе жидкость (или газ) — твердое тело и всегда является величиной искомой.

.

Критерий Рейнольдса представляет собой отношение сил инерции к силам внутреннего трения и характеризует гидродинамический режим движения жидкости.

Критерий Прандтля характеризует физические свойства жидкости (или газа) и способность распространения теплоты в жидкости (или газе).

Критерий Грасгофа учитывает подъемные силы, возникающие в жидкости (или газе) вследствие разности плотностей их частиц и вызывающие так называемую свободную конвекцию.

В общем случае конвективного теплообмена критериальная зависимость имеет вид

(21)

Критерии и в этой зависимости являются определяющими критериями.

Применительно к вынужденному турбулентному движению жидкости (или газа) связь между критериями устанавливается следующим уравнением:

(22)

где — соответственно коэффициент и показатели степени, устанавливаемые опытным путем.

Для условий внутренних поверхностей ограждающих конструкций отапливаемых зданий критерии подобия объединяются уравнением

(23)

Для определения коэффициента теплоотдачи по уравнениям (22) и (23) подсчитывают числовое значение критериев, входящих в правую часть равенства, определяют критерий Нуссельта и из него — коэффициент теплоотдачи.