Кислицын Шабаров УМК Тепломассообмен / КраткийКонспектЛекций / Тема7-1

7.КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН.

7.1.Особенности конвективного теплообмена и факторы, влияющие на его ин­тен­сив­ность.

Конвективным называется теплообмен между жидкостью (или газом) и твер­дой по­верх­ностью, которую эта жидкость омывает. Конвективный теп­ло­об­мен характерен для многих прак­тически важных задач. Можно выделить че­ты­ре основных фактора, влияющих на ин­тен­сив­ность конвективного теплообмена.

1)Вид кон­векции. Теплообмен между поверхностью тела и окружающей сре­дой (жид­кос­тью или газом) может происходить под действием внешних сил (на­сосов, вентилляторов и т.п.) ли­бо благодаря разности плотностей, вызванной не­равномерным нагревом в поле сил тя­жес­ти. В пер­вом случае теплообмен про­ис­ходит в условиях вынужденной конвекции, а во вто­ром слу­чае име­ет место ес­тественная, или свободная конвекция.

2)Режим движения жидкости или газа. Как уже отмечено выше, при ма­лых скоростях (то­ч­нее, при малых числах Рей­нольдса) жидкость течет пра­вильными слоями, которые сколь­зят друг относительно друга по ли­ниям тока, не перемешиваясь между собой; такой режим те­че­ния на­зы­ва­ется ламинарным. При увеличении числа Рейнольдса выше некоторого кри­ти­чес­ко­го зна­чения ре­жим течения ме­ня­ется. В жидкости возникают завихрения, нарушающие ли­нии то­­ка, движение становится не­у­по­рядоченным, приобретает сложный и за­пу­тан­ный ха­рак­тер; та­кой режим течения называется тур­булентным. Особенностью тур­булентного потока яв­ля­ется ги­дродинамическое пере­ме­ши­ва­ние дви­жу­щей­ся среды, что обусловливает более ин­тен­сивный пе­ренос тепла по сравнению с пе­реносом в ламинарном потоке.

3)Физические свойства жидкости или газа: коэффициент теп­ло­про­вод­нос­ти , удельная теплоемкость c, плотность  и вязкость . Как отмечено выше (см. раздел 6), эти параметры могут быть объединены в один безразмерный па­ра­метр - число Прандтля Pr.

4)Форма и размеры поверхности. Обычно поверхности имеют форму плос­ких стен или труб, которые могут располагаться вертикально, горизонтально или наклонно; этот фактор оп­ре­де­ляет характерный размер задачи. Кроме этого име­ет значение состояние поверхности, омы­ва­е­мой жидкостью или газом (на­ли­чие неровностей, которые могут повлиять на режим дви­же­ния, степень ше­ро­хо­ватости, которая влияет на толщину пограничного слоя и др.)

Большое количество факторов, влияющих на интенсивность кон­век­тив­но­го теплообмена, де­лает в большинстве случаев невозможным точное ана­ли­ти­чес­кое решение диф­фе­рен­ци­аль­ных урав­нений тепломассопереноса, поэтому зна­чения коэффициентов теплообмена при­хо­дит­ся оп­ре­делять из эксперимента. Ре­зультаты этих экспериментов обобщаются при помощи пе­ре­чи­с­лен­ных выше (см. раздел 6) безразмерных параметров подобия, в результате чего по­лу­ча­ют­ся эм­­пи­­ри­ческие зависимости между этими параметрами (критериями), которые но­сят на­з­ва­ние кри­те­­ри­альных уравнений. В настоящее время известно до­воль­но много подобных эм­пи­ри­ческих фор­­мул, каждая из которых с большей или меньшей точностью описывает ре­зуль­та­ты какой-ли­бо группы экспериментов. Чем шире область применимости формулы, тем, как пра­вило, мень­ше ее точ­ность, поэтому при решении конкретной задачи должна учитываться не­об­хо­ди­мая точ­ность результата. Далее мы рассмотрим ряд наиболее простых (и на­и­бо­лее общих) эм­пи­ри­чес­ких фор­мул конвективного теплообмена, точность ко­то­рых составляет от 10 до 25%. В тех слу­чаях, ког­да тре­буется более точный ре­зуль­тат, следует обращаться к спе­ци­аль­ной ли­те­ра­ту­ре, в которой при­­ведены более подробные и более точные формулы.