6.1. Негізгі түсініктер мен анықтамалар.

Конвективті жылуалмасу үрдісі сұйықтар мен газдардың қозғалыс кезіндегі жылуалмасу үрдісін қамтиды. Мұның өзінде жылудың тасымалдаудың өзі бір уақытта конвекция мен жылуөткізгіш үрдісітерімен бірге жүреді. Жылудың конвекциясы түсінігі мағынасының астында сұйықтық пен газ бөлшектерінің макробөлшектерінің араласуы кезіндегі кеңістіктің бір аумағынан екінші аумағына температурамен жылудың тасымалдауы жатыр. Конвекция тек ағатын ортада ғана жүреді, себебі жылудың тасымалдауының сол ортаның тасымалдауымен түсіндіріледі.

Егер уақыт бірлігіне бақыланатын бет бірлігі арқылы сұйықтық массасының нормальдылығы , кг/(м^2*с) келеді, мұндағы w — жылдамдық, — сұйықтықтың тығыздығы, онда онымен бірге энтальпияда тасымалданады, Дж/(м².с):

q_конв =

Жылу конвекциясы ылғида жылу өткізумен қоса жүреді, сұйықтың немесе газдың жылжуы кезінде әртүрлі температурасы бар жеке бөлшектердің бір-біріне жанасуы болады, соның нәтижесінде конвективті жылуалмасу келесі теңдеуді көрсетеді:

q=q_тпр +q_конв = —

Мұндағы q конвективті жылу алмасудың нәтижесіндегі жылулық ағын тығыздығының локальді мәні болып табылады. Жоғарғы теңдеудің оң жақ бөлігі жылу өткізгіш арқылы екінші жақ бөлігі конвекция арқылы жылудың тасымалдануын сипаттайды. Конвективті жылуалмасу сұйықтар мен газдардың ағындарының арасында және жанасатын беттерінің арасында болуы конвективті жылуберу немесе жылуберу аталады.

Жылу беру есептеулерінде Ньютон-Рихман заңын қолданады:

dQ_c = (t_c—t_ж)dF

Ньютон-Рихман заңына сәйкесжылу ағыны dQ_c, Вт, сұйықтықтан жанасатын дене бетінің элементіне dF және температуралар айырымына тура пропорционал t = t_c—t_ж, мұндағы t_c — дене бетінің температурасы, t_ж —қоршаған ортасы сұйықтық пен газ тәріздес ортаның температурасы. t_c—t_ж температуралар айырымы температуралық қысым деп аталады.

Ньютон-Рихман теңдеуіне кіретін пропорционалды коэффициент жылу беру коэффициенті деп аталады. Ол жылу беру үрдісінің интенсивтілікке әсер ететін негізгі нақты шарттарын ескереді.

Ньютон-Рихман теңдеуіне сәйкес:

Бұл теңдік Вт/(м^2*К) өлшенетін жылуберу коэффициентінің қалай анықталатынын қарастырады.

Сонымен, жылу беру коэффициенті қоршаған орта мен дене бетінің температуралар айырымына қатысты, сұйықтық (газ) және жанасатын дене шекарасынадағы жылу ағынының тығыздығын q_с көрсетеді.

Жалпы жағдайда жылуберу коэффициенті Ғ беті бойынша өзгеріп отырады. Ал егер Ғ беті бойынша мен t өзгермесе онда, Ньютона — Рихман заңы келесі түрде жазылады:

Q_c= (t_c—t_ж)F.

Жылуберу коэффициенті көптеген факторлардан тәуелді. Көп жағдайда

сұйықтықтың физикалық параметрлерінің және сұйықтық температурасы мен жылдамдығының, қозғалыс тәртібінің, дене өлшемі мен пішінінің және де өзге шамалардың функциясы болып табылады. Табиғатта сұйықтықтың қозғаласының әртүрлі болуына байланысты жылу беру үрдісі әртүрлі болады.

6.2 Сұйықтардың физикалық қасиеттері.

Сұйықтардың физикалық қасиеттерінен тәуелді жылуалмасу үрдісі әртүрлі және өзінше ағуы мүмкін. Әсіресе жылуөткізгіштік коэффициенті , меншікті жылусыйымдылық с_р, тығыздық , температура өткізгіштік коэффициенті а, және де температура өткізгіштікті қарастыру кезінде қолданылған тұтқырлық коэффициенті көп әсер етеді. Әрбір зат үшін бұл шамалар белгілі мәндер мен күй параметрлерінің функциясы болып табылады.

Барлық реалды сұйықтықтар тұтқырлыққа ие. Яғни бөлшектер немесе қабаттар арасында әртүрлі жылдамдықпен қозғалатын қозғалысқа қарсы ішкі үйкеліс күшінің туындауымен түсіндіріледі. Ньютон заңына сәйкес ағын жазықтығының кез-келген нүктесінде осы жазықтықтықтың жылдамдық өзгерісіне пропорционалды жанама күш s, Па келесі түрде анықталады:

,

коэффициенті динамикалық тұтқырлық коэффициенті немесе қарапайым тұтқырлық коэффициенті деп аталады. Оның өлшем бірлігі Н-с/м². dw/dn=l кезінде s = .

Гидродинамика жылуберу теңдеулерінде тұтқырлықтың тығыздыққа қатынасы кинематикалық тұтқырлық коэффициенті v, м²/с деп аталады:

v = .

Сұйықтың мәжбүрлі қозғалысы кезіндегі жылу беру.

Жылу беру деп орта мен дене арасындағы температуралық қысымның Δt конвекциясы мен жылуөткізгіштігінің бірлекен әсерінінің нәтижесіндегі қатты дене мен қозғалатын орта(сұйық немесе газ) арасындағы конвективті жылуалмасуды айтамыз. Ортаның мәжбүрлі қозғалысы әртүрлі сырқы қоздырғыштардың(сорғы, желдеткіштер және т.б.) нәтижесінде туындайды.

Жылу беру үрдісі орта қозғалысымен байланысты және ол екі негізгі ағыс тәртіптерін ерекшелейді-ламинарлы ағыс, яғни орта бөлшектері бірқалыпты қозғалады, орта қабаттары бір-бірімен араласпайды, келесі- турбулентті ағыс, яғни орта бөлшектерінің бірқалыпсыз қозғалыстардың нәтижесінде, орта қабаттары құйынды араласады. Бір ағыс тәртібінен екінші ағыс тәртібіне ауысу Рейнольдс санының «критикалық» мәнімен анықталады.

Қабырға беттерінде ортаның ағысы кезінде тұтқыр сұйықтықтың гидродинамикалық шекаралық қабаты туындайды. Осы қабаттың шегінде, ағыс жылдамдығы нөлден қабаттың қоздырылмаған ағыстың сыртқы шекарасындағы жылдамдыққа дейін өзгереді.

Шекаралық қабатта сұйықтың қозғалысы ламинарлы және турбулентті сипатқа ие бола алады, ал қабаттың қалыңдығы біртіндеп сұйықтық қозғалысының бағыты бойынша өседі.

Жылуалмасу шарттары кезінде, қабырғаның бетінде, жылу тасымалдағыш температурасы қабырғаның температурасынан орта температурасына дейін өзгеретін ортаның жылулық шекаралық қабаты туындайды.

Қабырға бетіндегі сұйықтықтың құрғақ қабатында жылу тасымалдау :

жылуөткізгіштігімен орындалады, мұндағы - дене бетінде анықталатын сұйықтық температурасының градиент мәнін береді.

Жылуберу теңдеуі:

(110)

жылуберу коэффициентімен α , бір жағынан сұйықтықтың температуралық өрісімен, сонымен қатар басқа жағынан жылуөткізгіштігімен λ байланысын көрсетеді.

α коэффициенті жылуберу үрдісінің интенсивтілігін сипаттайды. Жылу беру коэффициентін жылуалмасу бетіне қарай орташа, бетіннің берілген нүктеде анықталуына қарай жергілікті деп бөледі.