2.1.4 Передача тепла конвекцией

Интенсивность переноса тепла конвекцией зависит от степени турбулентности потока жидкости и перемешивания частиц внутри него. Следовательно, конвекция сильно зависит от гидродинамических условий течения потока жидкости.

В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией. Совместный перенос тепла этими способами называется конвективной теплоотдачей. Механизм переноса тепла в ядре потока при его турбулентном движении характеризуется интенсивным перемешиванием макрообъемов среды, которое приводит к выравниванию температур до некоторого среднего значения t_ж. По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает. Это объясняется тем, что вблизи нее образуется тепловой пограничный слой, подобный гидро­динамическому пограничному слою, но обычно меньше его по толщине. В этом слое, по мере приближения к стенке, все большее значение приобретает теплопроводность, а влияние турбулентности становится пренебрежимо мало (рисунок 2.2).

Плотность турбулентного теплообмена q_m в направлении оси у определяется выражением:

, (2.6)

где λ_т - коэффициент турбулентной теплопроводности.

Величина λ_т во много раз превышает значения λ, т.к. в ядре турбулентного потока переносится заметно большее количество тепла, чем путем теплопроводности в тепловом пограничном слое.

Рисунок 2.2– Структура теплового пограничного слоя

Интенсивность переноса тепла в ядре потока за счет λ_т определяется коэффициентом турбулентной температуропроводности , величина которого в области теплового слоя по мере приближения к стенке уменьшается. Для интенсификации конвективного теплообмена необходимо уменьшить толщину теплового пограничного слоя.

Сложность механизма конвективного теплообмена обусловливает трудности расчета процесса теплоотдачи. Точное решение задачи о количестве тепла, передаваемого от стенки к среде, связано с необходимостью определения температурного градиента у стенки и профиля изменения температур теплоносителя вдоль поверхности теплообмена, что весьма затруднительно. Поэтому в основу непрерывного процесса теплоотдачи берут уравнение Ньютона:

Q = α·F·(t_ст-t_ж), (2.7)

где α - коэффициент теплоотдачи, который показывает, какое количество тепла передается от 1 м² поверхности стенки к жидкости в течение 1 секунды при разности температур между стенкой и жидкостью 1 градус.

Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих факторов:

а) скорости жидкости w, ее плотности ρ и вязкости μ, т.е. переменных, определяющих режим течения жидкости;

б) тепловых свойств жидкости (удельной теплоемкости Ср, теплопроводности λ, коэффициента объемного расширения β);

в) геометрических параметров - формы и определяющих размеров стенки (для труб - их диаметр d и длина L, шероховатость ε).

Таким образом:

α = f(W, μ, ρ, c_p, λ, β, d, L,ε). (2.8)

Отсюда видно, что простота уравнения (2.7) только кажущаяся. Трудность заключается в расчете величины α. Кроме того, невозможно получить расчетное уравнение, пригодное для всех случаев теплоотдачи. Только путем обобщенно опытных данных с помощью теории подобия можно получить обобщенные (критериальные) выражения для типовых случаев теплоотдачи, позволяющие рассчитать коэффициент теплоотдачи для конкретных условий. Исходной зависимостью для этого является общий закон распределения температур в жидкости, выраженный дифференциальным уравнением конвективного теплообмена.