1. Основные положения теории конвективного теплообмена в однофазной среде

1.1 Основные понятия и определения

Первоначально напомним некоторые уже ранее встречавшиеся понятия и определения.

Теория теплообмена – наука о процессах распространения теплоты. Теплообмен (heat transfer) – самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным распределением температуры. Под «процессом переноса теплоты» понимается процесс обмена внутренней энергией между элементами системы в форме теплоты. Различают три основных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвенция и тепловое излучение.

Конвективный перенос (convective transfer) теплоты, количества движения в среде с неоднородным распределением концентрации, скорости, температуры, осуществляемый макроскопическими элементами среды при их перемещении.

Теплообмен, обусловленный совместным действием конвективного и молекулярного переноса теплоты называют конвективным теплообменом (heat transfer by convection).

В технике наибольшее значение имеет конвективный теплообмен при вынужденной конвекции. Вынужденная конвекция (forced convection) – движение жидкости под действием внешних поверхностных сил, приложенных на границах системы, или однородного поля массовых сил, приложенных к жидкости внутри системы, или за счет кинетической энергии, сообщенной жидкости вне системы.

Свободное движение под действием гравитационного поля в системе с неоднородным распределением плотности жидкости, чаще всего из-за неоднородного распределения температуры, называют гравитационным свободным движением – гравитационной свободной конвекцией (free convection).

Конвективный теплообмен между движущейся средой (жидкостью) и омываемой ею твердой поверхностью (стенкой) называют теплоотдачей (heat transfer).

Процесс переноса теплоты характеризуется тепловым потоком или плотностью теплового потока. Тепловой поток (heat flux) - количество теплоты, проходящее в единицу времени через произвольную поверхность. Плотность теплового потока (heat flux per unit area, specific heat flow) – тепловой поток, отнесенный к единице площади поверхности.

В стационарных процессах расчет теплоотдачи, как известно, производят по закону Ньютона-Рихмана, который в общем случае записывается следующим образом:

dQ_c = α (T_c – T_ж) dF (1.1)

или

q_c = α (T_c – T_ж) = αΔT , (1.2)

Уравнения (1.1) и (1.2) иначе можно написать в форме, позволяющей дать определение коэффициента теплоотдачи

. (1.3)

Коэффициент теплоотдачи (heat transfer coefficient) –величина, характеризующая интенсивность теплоотдачи и равная плотности теплового потока на поверхности раздела, отнесенной к температурному напору между средой и поверхностью. Коэффициент теплоотдачи измеряется в Вт/(м²∙К).

В общем случае коэффициент теплоотдачи изменяется по поверхности теплоотдачи.

Если α и ∆Т являются постоянными величинами, не изменяются по поверхности теплоотдачи F, то закон Ньютона-Рихмана может быть записан следующим образом:

Q_c = α (T_c – T_ж)F. (1.4)

Как известно, тепловой поток всегда направлен в сторону уменьшения температуры.

При внешнем обтекании тел в качестве характерных скорости и температуры среды обычно принимается скорость и температура во внешнем потоке или невозмущённом (набегающем) потоке, а при течении в трубах^* - среднемассовая скорость и температура потока в данном сечении.

Под среднемассовой температурой (bulk temperature) понимают температуру, соответствующую среднемассовой энтальпии потока (bulk enthalpy)

(1.5)

Если жидкость несжимаемая (ρ = const)

dh = c_p dT, (1.6)

(1.7)

Произведение ρu – массовая скорость (mass velocity) - массовый расход жидкости через элементарную площадку df, перпендикулярную к направлению вектора скорости, отнесенный к величине элементарной площадки. При решении задач, связанных с течением и теплоотдачей в трубах и каналах, обычно в качестве характерной, как отмечалось выше, используют среднемассовую скорость жидкости

(1.8)

где – массовый расход теплоносителя; f – площадь поперечного сечения канала.