8 Конвективный теплообмен

8.1 Основной закон конвективного теплообмена

Конвективный теплообмен - это процесс переноса теплоты в жидкой и газообразной среде с неоднородным распределением температуры

Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью или газом называется теплоотдачей, а поверхность твердого тела, через которую переносится теплота - поверхностью теплообмена.

Теплоноситель - это жидкость или газ, омывающие поверхность теплообмена.

Основной закон конвективного теплообмена - закон Ньютона - Рихмана:

Q = F(t_с - t_ж) , Вт (8.1)

где Q - тепловой поток;

F - площадь поверхности теплообмена, м²;

t_с и t_ж - температуры поверхности твердого тела (стенки) и теплоносителя, соответственно, ^оС;

 - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К). Он характеризует интенсивность процесса теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи  - это тепловой поток, передаваемый в единицу времени через единицу площади поверхности при разности температур поверхности и жидкости в один градус.

8.2 Виды конвективного теплообмена

Естественная конвекция представляет собой свободное движение, происходящее вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости, находящихся в поле действия сил тяжести. В этом случае возникает подъемная сила, которая перемещает нагретые слои жидкости вверх, а охлажденные слои движутся вниз.

Вынужденная конвекция создается внешним источником (насосом, вентилятором, ветром). В общем случае вынужденная конвекция может сопровождаться естественной.

8.3 Режим течения

Движение жидкости может быть ламинарным и турбулентным. При ламинарном режиме частицы жидкости движутся спокойно, послойно, без перемешивания.

При турбулентном режиме течение жидкости вихревое, с непрерывным перемешиванием всех слоев жидкости (от лат. turbulentus - бурный, беспорядочный).

Переход ламинарного режима в турбулентный определяется критическим значением числа Рейнольдса:

Re_кр = , (8.2)

где w_кр – критическая скорость движения жидкости, м/с;

l - характерный размер канала или обтекаемой стенки, м;

 - кинематическая вязкость жидкости, м²/с.

Режим движения жидкости, промежуточный между ламинарным и турбулентным называется переходным. Интервал существования переходного режима ограничивается критическими значениями Re_крI и Re_крII .

8.4 Критерии (числа) подобия

Числами (критериями) подобия называются такие безразмерные соотношения параметров, характеризующих рассматриваемый процесс, которые у подобных явлений в сходственных точках имеют численно одинаковые значения.

В теории конвективного теплообмена используются следующие числа подобия:

Число Нуссельта

Nu = , (8.3)

где  - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²∙К);

l - определяющий размер, м;

 - коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К).

Nu представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи и показывает отношение действительной плотности теплового потока к плотности теплового потока при чистой теплопроводности, т.е. Nu характеризует увеличение теплообмена конвекцией по сравнению с чистой теплопроводностью.

Число Рейнольдса

R e = , (8.4)

где w - скорость движения жидкости, м/с:

l - определяющий размер, м;

 - коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Re представляет собой безразмерную скорость потока, характеризует гидродинамический режим потока. Re выражает отношение сил инерции (скоростного напора) к силам вязкого трения.

При течении жидкости в трубах:

Re  2300 - ламинарный режим,

Re = 230010⁴ - переходный режим,

Re  10⁴ - турбулентный режим.

Число Прандтля

Pr = , (8.5)

где  - коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

а = /c - коэффициент температуропроводности, м²/с.

Pr состоит из величин, характеризующих теплофизические свойства вещества и является теплофизической константой вещества. Значения Pr приводятся в справочниках.

Число Грасгофа

Gr = , (8.6)

где g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения;

=1/Т - коэффициент объемного расширения, 1/К;

l - определяющий размер, м;

t = t_c - t_ж - разность температур, ⁰С (К);

 - коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Gr характеризует подъемную силу, возникающую в жидкости вследствие разности плотностей. Этот критерий показывает влияние естественной конвекции на теплообмен.

Число Фурье

F о = , (8.7)

где а = /c - коэффициент температуропроводности, м²/с;

l - определяющий размер, м;

 - время, с.

Fo представляет собой безразмерное время и характеризует нестационарность процесса теплообмена.

Таким образом, можно сделать выводы:

• критерий Re отражает влияние вынужденного движения,

• критерий Gr – влияние естественной конвекции,

• критерий Pr – влияние физических свойств жидкости на коэффициент теплоотдачи;

• критерий Fo - нестационарность процесса.

Числа Nu, Re, Pr, Gr – являются числами теплового подобия. Re – число гидродинамического подобия.