7. Конвективный теплообмен

При теплообмене между стенкой и воздухом (или жидкостью) тепло передаётся не только последовательно от ближних к дальним молекулам, но и с гораздо большей интенсивностью перемещением больших масс воздуха вначале к поверхности теплообмена, а затем от неё. При этом тепло передаётся также и теплопроводностью. Совместное воздействие конвекции и теплопроводности в пограничной области у поверхности тела называют конвективным теплообменом (конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей).

Основными факторами, влияющими на процесс теплоотдачи являются:

1). Природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки.

Естественная конвекция: движение жидкости (газа) обусловлено разностью плотностей её горячих и холодных слоев.

Вынужденная конвекция: движение жидкости (газа) создаётся принудительно ветром, насосом, вентилятором или другими устройствами.

2). Режим движения жидкости.

Ламинарное: упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций.

Турбулентное: беспорядочное, хаотическое, вихревое.

3). Физические свойства жидкостей и газов.

коэффициент теплопроводности λ,

удельная теплоемкость с, плотность ρ,

коэффициент температуропроводности а = λ/c·ρ,

коэффициент динамической μ или кинематической вязкости ν = μ/ρ,

температурный коэффициент объемного расширения β = 1/Т.

4). Форма (плоская, цилиндрическая), размеры и положение поверхности (горизонтальная, вертикальная).

Теплообмен между поверхностью тела и средой описывается законом Ньютона-Рихмана:

Количество теплоты при конвективном теплообмене прямо пропорционально разности температур поверхности тела t_ст и окружающей среды t_ж:

q = α(t_'ст - t_'ж) , (7.1)

где α - коэффициент теплоотдачи [Вт/(м²К)], характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Коэффициент теплоотдачи зависит от большого числа перечисленных выше факторов и может быть определён только экспериментально для каждого конкретного случая.

Распространить экспериментальные результаты на близкие по условиям задачи позволяет теория подобия, согласно которой для схожих задач процесс теплообмена описывается уравнениями, связывающими безразмерные критерии, составленные из физических свойств жидкости (или газа), определяющих размеров и температуры.

Nu = - критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи), характеризует теплообмен между стенкой и жидкостью (газом);

Re = - критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и вязкости и определяет характер течения жидкости (газа), где

скорость потока, м/сек;

  коэффициент кинематической вязкости, м²/сек.

Gr = -критерий Грасгофа, характеризует подьемную силу, возникающую в жидкости (газе) вследствие разности плотностей, где

β = - коэффициент теплового расширения теплоносителя;

g = 9,81 м/– ускорение свободного падения.

Pr = =-критерий Прандтля, характеризует физические свойства жидкости (газа);

l₀ – определяющий размер (длина, высота, диаметр).

Расчетные формулы конвективного теплообмена.