7.3. Теплоотдача при естественной конвекции

Теплоотдача при естественной конвекции имеет весьма широкое распространение. Попытки изучить механизм и закономерности протекания процессов теплообмена только аналитическим путем особого успеха не достигли вследствие большой сложности этих явлений. Опытные же исследования позволили получить эмпирические выражения для определения коэффициентов теплоотдачи широкого круга разновидностей естественной конвекции.

Интенсивность теплоотдачи при естественной конвекции определяется физическими свойствами теплоносителя; пространством (большой или ограниченный объемы), в котором происходит теплообмен; формой, размером тел и их положением относительно горизонта; направлением теплового потока (от поверхности к теплоносителю или наоборот).

При конвекции в неограниченном пространстве макрообъемы теплоносителя, нагреваемые поверхностью тел, всплывают, а охлаждаемые – опускаются. Однако характер движения теплоносителя около поверхности устанавливается не только этим явлением. Так, вдоль охлаждаемой вертикальной стенки движение теплоносителя в нижней части имеет ламинарный характер, выше – переходный, а затем вихревой, рис. 7.4, а.

В случае нагреваемой стенки теплоноситель будет перемещаться сверху вниз, и характер движения будет изменяться в той же последовательности. Режим течения определяется, главным образом, температурным напором, с увеличением которого сокращается длина участка, занятого ламинарным потоком, и увеличивается зона вихревого движения. На участке ламинарного движения коэффициент теплоотдачи невысокий из-за значительной толщины ламинарного слоя теплоносителя. В зоне вихревого движения значение α высокое и практически одинаковое по всей поверхности.

Характер движения теплоносителя около плоских горизонтальных поверхностей зависит от их расположения и направления теплового потока.

При картине движения, отвечающей схемам в и г (см. рис. 7.4), поверхность стесняет движение теплоносителя, и поэтому теплообмен протекает менее интенсивно, чем в случаях б и д.

Движение теплоносителя в ограниченном пространстве зависит от

формы и взаимного расположения поверхностей, образующих прослойку, от расстояния между ними. На конвекцию в замкнутых узких каналах, кроме сказанного, влияют направление теплового потока и расположение канала относительно горизонта (см. рис. 7.4), схемы е, ж, з.

На основании обобщения многочисленных экспериментальных исследований для различных условий теплообмена рекомендованы конкретные критериальные уравнения (см. Приложение, табл.11, 12).

Так например, для вертикально расположенного цилиндра в большом объеме теплоносителя среднее значение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции с достаточной степенью точности вычисляется по критериальному уравнению:

(7.14)

У критериев Нуссельта и Грасгофа проставлены двойные индексы. Индекс „ ср “ означает, что за определяющую температуру принята средняя в пограничном слое температура, т.е.

t _cp = 0,5 ( t _m + t _cm),

где t _m - температура теплоносителя вне пограничного слоя;

t _cm - средняя по длине цилиндра температура стенки.

Индекс „ l “ указывает, что в качестве определяющего размера принята длина цилиндра.

Критериальное уравнение (7.14) справедливо при Gr ٠Pr > 10⁹.

Рис. 7.4