Раздел второй конвективный теплообмен в однородной среде

Тема 4 Основные положения учения о конвективном теплообмене

4.1 Основные понятия и определения

Понятие конвективного теплообмена охватывает процесс теплообмена при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью.

Под конвекцией теплоты понимают перенос теплоты при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция возможна только в текучей среде. Здесь перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Если в единицу времени через единицу контрольной поверхности нормально к ней проходит масса жидкости , то вместе с ней переносится плотность теплового потока .

Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, поэтому конвективный теплообмен описывается следующим уравнением:

.

Конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью, соприкасающегося с ним тела называют конвективной теплоотдачей.

При расчетах теплоотдачи используют закон Ньютона-Рихмана:

,

т.е. тепловой поток прямо пропорционален площади поверхности и разности температур. Разность температур называют температурным напором.

Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м² К)

.

Коэффициент теплоотдачи характеризует количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади поверхности при разности температур между телом и окружающей средой равной 1К.

Коэффициент теплоотдачи зависит от большого числа факторов. В общем случае является функцией формы и размеров тела, режима движения, скорости, температуры, физических параметров жидкости и других величин.

Различают свободную и вынужденную конвекцию. Свободная конвекция вызвана действием массовых сил, которые приложены ко всем частицам жидкости и обусловлены внешними силовыми полями (гравитационным, электрическим). Вынужденная конвекция вызвана действием поверхностных сил, которые приложены к поверхности контрольного объема жидкости, за счет предварительно сообщенной кинетической энергии (за счет работы насоса, вентилятора).

4.2 Физические свойства жидкости

В зависимости от физических свойств жидкостей или газов процесс теплообмена может протекать различно и своеобразно. Особенно большое влияние оказывают коэффициент теплопроводности , удельная теплоемкость с_р, плотность , коэффициент температуропроводности а, коэффициент вязкости .

При теоретическом анализе конвективного теплообмена будем полагать, что физические свойства жидкости или газа постоянны в исследуемом интервале температур. Все реальные жидкости обладают вязкостью, т.е. между частицами или слоями, движущимися с различной скоростью, всегда возникают силы внутреннего трения, противодействующие движению.

Согласно закону Ньютона-Рихмана эта касательная сила S, отнесенная к единице поверхности, которая действует в любой точке потока в плоскости, ориентированной по течению, пропорциональна изменению скорости в направлении нормали к этой плоскости, Па

.

Коэффициент пропорциональности называется динамическим коэффициентом вязкости, Па·с.

Если градиент скорости , тогда численно .

В уравнения гидродинамики и теплоотдачи часто входит отношение вязкости к плотности и называется это отношение кинематическим коэффициентом вязкости, м²/с.

Коэффициенты и являются физическими параметрами. Они существенно зависят от температуры.

Для жидкостей: существенно уменьшается с повышением температуры.

У газов: повышается пропорционально повышению температуры.

Для жидкостей: снижается пропорционально повышению температур.

У газов: значительно повышается с повышением температур.

При течении жидкостей или газов, обладающих вязкостью, наличие внутреннего трения приводит к диссоциации энергии.

Если вязкость жидкости или её скорость невелики, то нагревание будет незначительным. На теплоотдачу оказывает большое влияние сжимаемость жидкости.

Изотермической сжимаемостью (коэффициентом сжатия тела при t = const) называют величину, представляющую собой относительное изменение плотности вещества при изменении давления, Па^-1

Для капельных жидкостей эта величина чрезвычайно мала.

Например, для Н₂О эта величина составляет 5 10^-10, Па^-1, т.е. повышение давления на 1бар (10⁵Па) приводит к изменению относительной плотности 1/20000, т.е. этой величиной для жидкости можно пренебречь.

Для воздуха в нормальном состоянии и других газов Па^-1. Таким образом, сжимаемость воздуха в 20000 раз больше сжимаемости воды.

Обычно считают, если скорость газа меньше ¼ скорости звука, то к газам допустимо применять законы движения и теплоотдачи, полученные для несжимаемой жидкости.

В дальнейшем в основном будет рассматриваться теплоотдача несжимаемой жидкости. При этом слово «жидкость» будет употребляться как собирательное понятие и для жидкостей и для газов.

Для конвективного теплообмена большое значение имеет тепловое расширение жидкости. Последнее характеризуется температурным коэффициентом объёмного расширения (при p=const), который представляет собой относительное изменение объёма при изменении температуры на 1К при постоянном давлении, К^-1

.

Для жидкости этот коэффициент сравнительно мал, за исключением области вблизи термодинамической критической точки. Например, для воды при температуре t < 4^оС имеет отрицательное значение.

Для идеальных газов - величина, обратная абсолютной температуре

.