2. Основы конвективного теплообмена

и теории подобия. Теплообмен

в однофазной среде

Основные положения конвективного теплообмена. Теплоотдача при вынужденной и естественной конвекции. Физические свойства жидкостей и газов, существенные для процессов течения и теплоотдачи. Динамический и тепловой пограничные слои. Аналитическое описание процесса конвективного теплообмена. Условия однозначности.

Основы метода подобия и моделирования. Теоремы подобия. Приведение уравнений конвективного теплообмена к безразмерному виду. Сущность моделирования. Обобщение опытных данных и получение эмпирических зависимостей.

Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности. Характер вынужденного неизотермического течения и теплообмена на плоской поверхности. Теплоотдача при ламинарном и турбулентном течении в пограничном слое. Расчетные уравнения. Специфика течения и теплообмена при вынужденном поперечном омывании труб и пучков труб. Расчетные уравнения.

Теплообмен при вынужденном течении в трубах и каналах. Особенности гидродинамики. Теплоотдача при ламинарном, переходном и турбулентном течении; расчетные уравнения, основные поправки.

Теплоотдача при свободном движении жидкости в большом объеме у вертикальной стенки вблизи труб и пластин. Основные расчетные уравнения и их анализ. Особенности теплообмена при естественной конвекции в ограниченном объеме. Расчет теплопередачи через плоские и цилиндрические прослойки.

Литература:

• [1], гл. 4, 5,6, 7, 8, 9, 10, стр. 108–210;

• [3], гл. 4, 5, 6;

• [4], гл. 2, 3;

• [8], разд. 3, 4;

• [9], гл. 2.

Методические указания. В процессе изучения темы студент должен получить представление о таком сложном физическом процессе, как конвективный теплообмен, усвоить классификацию процессов конвективного теплообмена, методы решения его задач, а также приобрести практические навыки вычисления коэффициента теплоотдачи в наиболее характерных случаях.

Коэффициент теплоотдачи в отличие от коэффициента теплопроводности, например, не является физическим параметром какого-либо вещества, так как характеризует тепловое взаимодействие двух разнородных сред: твердой поверхности и жидкости. Это взаимодействие зависит от большого количества факторов, таких как физические свойства жидкости, распределение скоростей и температур и т.д. Дело осложняется еще и тем, что различные величины, от которых зависит теплоотдача, часто связаны между собой. Так, например, изменение температуры влечет за собой изменение вязкости жидкости, теплопроводности, плотности и т.д. Неравномерность плотности в объеме жидкости приводит к возникновению свободной конвекции, которая в свою очередь оказывает влияние на теплоотдачу.

Коэффициент теплоотдачи как комплексная характеристика конвективного теплообмена должен учитывать все особенности его протекания. Поэтому необходимо разобраться, прежде всего, в физической природе конвективного теплообмена, усвоить основные понятия и определения. Особое внимание обратите на ту роль, которую играет характер движения жидкости в теплообмене. Определитесь с условиями возникновения и развития теплового и динамического пограничных слоев, а также их ролью в процессах теплообмена. Внимательно проанализируйте математическое описание процесса при помощи системы уравнений, характеризующих процесс, с целью понимания необходимости привлечения для описания этого процесса не только уравнений теплопроводности и теплообмена, но и уравнений, характеризующих поле скоростей в потоке жидкости. Надо хорошо представлять себе физическую сущность вывода дифференциального уравнения теплообмена, описывающего процесс теплоотдачи на границах тела со средой, и уравнения теплопроводности в движущейся среде. Для того чтобы из бесчисленного количества описываемых дифференциальными уравнениями явлений выделить рассматриваемое конкретное явление, необходимо сформулировать краевые условия (условия однозначности). Надо знать сущность и математическую формулировку условий однозначности.

В связи с тем, что точное аналитическое решение дифференциальных уравнений ввиду сложности действительных процессов теплообмена оказывается невозможным, приходится прибегать к эксперименту. Надо понять, что дифференциальные уравнения описывают класс явлений; эксперимент дает сведения об единичном явлении. Ответ на вопрос, как надо ставить и обрабатывать эксперимент, чтобы его результаты можно было бы распространить на группу подобных явлений, дает теория подобия. Теория подобия позволяет изучать процессы, протекающие в промышленном аппарате на его увеличенной или уменьшенной модели. В результате изучения данной темы студент должен получить представление о теории подобия, как теоретической основе эксперимента.

Нужно отчетливо усвоить следующие понятия: геометрическое и физическое подобие, сходственные точки, сходственные моменты времени, константы подобия и критерии подобия. Надо разобраться в методе подобных преобразований дифференциальных уравнений, описывающих подобные процессы, и уметь применять этот метод для вывода критериев гидродинамического подобия (в частности, критериев Re и Gr) и теплового подобия (Nu, Fo, Pe, Pr). Надо понимать физическую сущность названных критериев. Обратить внимание на различие между определяющими и определяемыми критериями.

Необходимо обратить внимание на следующие различия между тремя основными теоремами подобия. Первая теорема констатирует свойства, вытекающие из существования подобия. Вторая теорема устанавливает возможность представления решения дифференциальных уравнений в виде зависимости между критериями подобия. Третья теорема формулирует условия, соблюдение которых необходимо и достаточно для реализации подобия. Надо уяснить себе методику обработки и обобщения опытов с помощью теории подобия; понять, что такое определяющая температура и определяющий размер, температурный напор.

Разобраться, как на основании опытных данных найти показатели критериев и коэффициенты в искомом критериальном уравнении; представлять, чем определяются границы его применения.

Запоминать численные значения коэффициентов и показателей степени в различных критериальных уравнениях не нужно.

Наиболее надежными данными в теплообмене являются результаты экспериментальных исследований конвективного теплообмена, обработанные с помощью теории подобия. При изучении материала экспериментальных исследований конвективного теплообмена необходимо обратить внимание на решающую роль гидродинамической стороны процесса. В этой связи следует уяснить себе механизм переноса тепла в пограничном слое и в турбулентном ядре потока.