Тема 10. Теплообмен конвекцией. Конвективный теплообмен

10.1 Физические основы процесса

Конвекцией называется перенос частиц газа или жидкости, вызванный движением, течением вещества. При этом, если температуры в разных местах потока различны, происходит и перенос тепловой энергии.

Конвективным теплообменом называется совместный перенос тепла теплопроводностью и конвекцией. Такое переплетение процессов, обусловленных перемещением микрочастиц и макрообъёмов, имеет место всегда в потоке жидкости или газа. Газ или жидкость, участвующие в теплообмене, называют общим понятием – теплоноситель.

В технике наибольшее значение имеет конвективный теплообмен между твердым телом и омывающим его теплоносителем. Этот процесс, называемый так же теплоотдачей, и рассматривается здесь.

Главной задачей теории конвективного теплообмена, в отличие от теории теплопроводности, является не нахождение температурного поля в потоке жидкости или газа, а определение количества теплоты, которое проходит через поверхность твердого тела, омываемого потоком.

Конвективный теплообмен неразрывно связан с движением теплоносителя. В результате этого движения и переносится тепло. Поэтому теплоотдача в значительной мере определяется факторами, влияющими на характер течения жидкости (газа).

На интенсивность теплоотдачи влияют: природа возникновения движения, скорость и режим течения, форма и размеры обтекаемого тела, температура и физические свойства теплоносителя и ряда других факторов.

Природа возникновения движения. Движение может быть вынужденным или свободным. Вынужденное движение возникает за счёт внешних для данного процесса причин (поток, создаваемый насосом или компрессором; движение летательного аппарата относительно воздуха; течение, вызванное перепадом давления и др.).

Свободным называется движение, возникающее за счёт неоднородного распределения массовых сил в объёме теплоносителя вследствие разности плотностей холодных и горячих частиц теплоносителя. Свободное движение называют также свободной конвекцией.

Режимы течения. Различают два основных режима течения: ламинарный и турбулентный.

Ламинарное течение – это слоистое течение без перемешивания частиц теплоносителя и без пульсации скорости. Здесь направление общего движения совпадает с направлением движения отдельных частиц.

Т урбулентное течение – это течение, при котором отдельные частицы двигаются неупорядоченно, хаотично; и хотя среднее значение скорости потока может быть постоянно во времени, мгновенные же значения скоростей отдельных частиц меняются во времени как по величине, так и по направлению. Наличие такого пульсационного движения обуславливает интенсивное перемешивание в потоке. Частицы помимо продольного движения совершают поперечные перемещения, перенося поперек потока механическую энергию и тепло.

Рис. 10.1. Картина образования пограничного слоя

Пограничный слой. На процесс теплообмена между теплоносителем и обтекаемым телом большое влияние оказывает условия течения в непосредственной близости у поверхности тела. Частицы теплоносителя, прилегающие к поверхности обтекаемого тела, «прилипают» к ней, и их скорость равна нулю. Эти частицы под действием вязкости тормозят близлежащие слои, в результате у стенки образуется слой приторможенного теплоносителя – пограничный слой (рис. 10.1). толщина этого слоя δ по мере удаления от передней кромки тела увеличивается, так как «тормозящее» действие стенок сказывается на все более отдаленные частицы. В пределах п ограничного слоя скорость и температура (рис. 10.2) теплоносителя меняются.

а) t_T > t_CT б) t_T < t_CT

Рис. 10.2 Характер изменения температуры теплоносителя по толщине пограничного слоя

Понятие «толщина пограничного слоя» условно, так как нет резкого перехода от пограничного слоя к внешнему потоку. Скорость и температура в пограничном слое по мере удаления от стенки асимптотически стремится к скорости и температуре внешнего потока. Поэтому под толщиной пограничного слоя условно понимают такое расстояние от стенки, на котором скорость отличается от скорости внешнего потока на заданную величину (например, на 1%).

Движение в пограничном слое может быть ламинарным или турбулентным. В первом случае пограничный слой называется ламинарным, а во втором – турбулентным. Но и в турбулентном и пограничном слое имеется тонкий слой у стенки, где движение ламинарное – ламинарный подслой.

Режим течения определяет механизм переноса тепла в теплоносителе. Основным способом переноса тепла при ламинарном движении является теплопроводность (по нормали к направлению движения тепло переносится теплопроводностью, а в направлении движения наряду с теплопроводностью осуществляется и конвективный перенос тепла движущимся теплоносителем). При турбулентном состоянии потока в ламинарном подслое тепло передается теплопроводностью, а в турбулентной части потока главным образом конвекцией: перенос тепла осуществляется перемещающимися поперёк потока макрочастицами. В целом из-за наличия турбулентного перемешивания при прочих равных условиях интенсивность теплообмена в турбулентном потоке выше, чем в ламинарном.

Физические свойства теплоносителей. Интенсивность конвективного теплообмена зависит от плотности , теплоемкости, теплопроводности, вязкости теплоносителя. Плотность, теплоемкость и коэффициент теплопроводности были рассмотрены в предыдущих темах. Вязкость газов и жидкостей характеризуют динамическим коэффициентом вязкости μ (Па·с) и кинематическим коэффициентом вязкости υ (м²/с), которые связаны соотношением

.

Динамический коэффициент вязкости является физическим параметром и зависит главным образом от природы теплоносителя и его температуры.

У жидкостей величина μ с увеличением температуры уменьшается, так как уменьшаются силы межмолекулярного сцепления, обуславливающие их вязкость. У газов, вязкость которых обусловлена беспорядочным тепловым движением молекул, коэффициент μ с ростом температуры возрастает. При умеренных давлениях его влиянием на динамический коэффициент вязкости можно пренебречь; влияние давления на μ следует учитывать лишь при высоких значениях p.

Кинематический коэффициент вязкости также определяется природой теплоносителя и меняется с температурой. Вместе с тем поскольку плотность газов зависит от давления , то давление влияет на величину υ: с ростом p коэффициент υ газов падает, рост же температуры повышает его.

Формула Ньютона. В расчетной формуле конвективного теплообмена выделяют главный фактор – разность температур (Δt), вызывающая теплообмен. Плотность теплового потока при теплоотдаче определяется по формуле Ньютона:

q = α·(t_T – t_CT), (10.1)

где t_T, t_CT – температура теплоносителя и омываемой поверхности стенки.

Разность t_T – t_CT=Δt называется температурным напором, а коэффициент α, Вт/(м²·К), – коэффициентом теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи численно равен плотности теплового потока при температурном напоре, равном одному градусу. При прочих равных условиях чем выше коэффициент теплоотдачи, тем интереснее процесс теплоотдачи.

Формула Ньютона не учитывает в явном виде всех факторов, влияющих на интенсивность процесса. Это влияние учитывается коэффициентом α; он зависит от тех же факторов, что и интенсивность конвективного теплообмена, т.е. от скорости движения теплоносителя (с), его физических свойств (Cp, λ, μ, ρ), размера (l) и формы тела и т.д.:

α = f (с,c_p, λ, μ, ρ, l..). (10.2)