13.2 Теплоотдача при свободном движении жидкости в большом объеме

Если в жидкость достаточно большого объема ввести нагретое тело, то внутри такого пространства возникнет естественная конвек­ция. В этом случае жидкость приходит в движение, обусловленное только наличием температурного поля и возникающим благодаря этому процессом теплообмена. Такое движение жидкости называется свободным. Причиной возникновения циркуляционных токов является различие в плотностях неодинаково нагретой жидкости. Если вводимое в жидкость тело имеет более высокую темпера­туру, чем жидкость, то частицы жидкости, нагреваясь, стремятся под действием возникающей подъем­ной силы подняться вверх, а на их место подходят холодные части­цы из окружающего пространства. Рассмотрим теплообмен в свободном потоке жидкости неограниченного объема. Под неограниченным понимают объем, размеры которого настолько велики, что тепловое возмущение, вносимое нахо­дящимся в нем нагретым, (или охлажденным) телом, не распространяется на весь объем, в связи с чем на некотором удалении от тела жидкость можно считать невозмущенной. Чем больше площадь поверхности тела, тем большее пространство неограниченного объема охвачено процессом, а чем больше разность между температурой поверхности тела и температурой в невозмущенной части объема , тем больше подъемная сила и тем интенсивнее свободное движение.

Характерная схема свободного движения воздуха вдоль нагретой вертикальной трубы или плиты схематически показана на рис. 13.1(а).

В нижней части трубы в восходящем потоке воздуха устанавливается ламинарный режим движения с постепенно увеличивающейся толщиной ламинарной пленки. На некотором расстоянии от нижней кромки трубы ламинарный слой начинает разрушаться и возникает переходный режим. Далее, на высоте h и выше устанавливается развитый турбулентный режим с ламинарным подслоем в непосред­ственной близости к поверхности стенки. В соответствии с характе­ром свободного движения изменяется коэффициент теплоотдачи вдоль трубы. В области ламинарного режима локальное значение по высоте трубы уменьшается в связи с утолщением ламинарного слоя и достигает минимума там, где толщина ламинарного слоя достигает максимума. Затем коэффициент , постепенно возрастая, принимает постоянное значение в области развитого турбулентного потока.

На рис. 13.1(б) показана схема свободного движения воздуха около нагретых горизонтальных труб различных диаметров.

а)	б)

Рисунок 13.1 – схема свободного движения воздуха: а) – вдоль нагретой вертикальной трубы или плиты; б) – около нагретых горизонтальных труб различного диаметра

В случае малого диаметра ( =28мм) восходящий поток сохраняет ламинар­ный режим даже в области, расположенной над трубой. При большом диаметре ( =250 мм) переход в турбулентный режим происходит в пределах поверхности. Следовательно, когда размеры тела по высоте незначительны, то ламинарный характер восходящего потока может сохраняться на всем протяжении поверхности тела.