Тема 5.1. Теплопередача конвекцией

Конвекцией называют явление передачи теплоты от одного тела к другому при непосредственном их соприкосновении, причем по крайней мере одно из тел перемешивается.

Путем конвекции теплота может передаваться, например, от газа к жидкости через поверхность раздела, или к твёрдому телу, от жидкости к твёрдому телу.

Закон теплопередачи конвекцией установлен еще Ньютоном опытным путем и количество теплоты Q₁₂, передаваемой от одного тела (1) к другому (2), выражается формулой, Вт,

,

где t₁, t₂ – температуры тел, ⁰С или К;

F – поверхность теплообмена, м²;

 – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт /(м^2.град).

Несмотря на простоту представленной формулы, физическое явление конвекции достаточно сложно. В нем участвуют молекулярная и молярная (турбулентная) диффузия, следовательно, на конвекцию влияет характер движения газа или жидкости, вязкость этих сред, у жидкостей – направление теплового потока. Например, при прочих одинаковых условиях от жидкостей к твердым телам  значительно больше, чем от стенки к жидкости. Сказывается также форма тел и состояние их поверхности.

До сих пор значение  определяют экспериментально путем измерений или физического моделирования. Результаты многочисленных исследований представлены в литературе в виде критериальных зависимостей типа .

При ламинарном течении потоков жидкости в прямых гладких трубах

.

Для каждого из газов Pr = = const и не зависит от температуры, например, у воздуха Pr = 0,722.

При турбулентном течении

В этих уравнениях обозначения физических величин соответствуют принятым выше в разделе 4.

Коэффициенты n, m, a, b, c, определяются геометрическими факторами системы тел, обтекаемых потоками жидкости или газа. При этом m>n.

При рассмотрении конвекции различают конвекцию свободную и вынужденную. Свободная конвекция всецело обусловлена разностью температур и, следовательно, плотностей газа или жидкости в рассматриваемом объёме. Для свободной конвекции учёт фактора Gr обязателен, в то время, как при вынужденной конвекции, вызываемой внешними механическими факторами (в том числе воздействием струй) критерий Грасгофа становится пренебрежимо малым.

При ламинарном течении  мало зависит от скорости потока, как так у стенки канала (трубы) существует так называемый пограничный слой с заторможенным силами вязкости движением молекул и молей текущей среды. Лишь со значительным повышением скорости течения и появлением турбулентности этот слой постепенно разрушается, и влияние скорости на значение  соответственно возрастает.

При вынужденной конвекции интенсивность теплоотдачи резко возрастает, что в ряде случаев делает технологический процесс единственно возможным. Типичным примером является процесс нагрева жидкого металла в ванне сталеплавильной печи. Нагревающий металл тепловой поток направлен на ванну сверху. Поэтому в первую очередь нагреваются слои металла, прилегающие к поверхности («зеркалу») ванны. Плотность жидкого металла уменьшается с ростом температуры. Поэтому горячие слои металла в условиях свободной конвекции оставались бы у поверхности ванны, а нагрев нижележащих слоев осуществлялся бы очень медленно, только за счет тепловой диффузии атомов и ионов металла.

Однако в условиях выплавки стали действует основная реакция сталеплавильного процесса – окисление углерода за счет (FeО) шлака или кислорода, растворённого в металле:

Пузыри СО, пронизывая толщу металла в ванне печи, интенсивно его перемешивают, создавая условия вынужденной конвекции. Без этого явления многие сталеплавильные процессы стали бы совершенно нереализуемы.