Лекція 15

Конвективний теплообмін. Основні поняття і визначення. Рівняння Ньютона-Ріхмана. Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією α. Диференційне рівняння теплообміну. Основи теорії подібності. Визначуваний і визначаючий критерій. Метод моделювання. Фізичний зміст основних критеріїв подібності. Тепловіддача при русі середовища. Розрахункові рівняння коефіцієнта тепловіддачі основних задач.

Конвективний теплообмін

Явище конвективного переносу теплоти спостерігається лише в рідинах і газах, коли теплота переноситься разом з масою рухомого середовища. Розрізняють вимушену конвекцію, коли збудником руху є насос, компресор, вільну—яка відбувається за рахунок руху підігрітого середовища в гору.

В інженерній практиці широко застосовують явище тепловіддачі, тобто конвективний обмін між рухомим середовищем і нерухомою стінкою. Тепловіддача конвекцією описується в загальному випадку рівнянням Ньютона-Ріхмана

,

де - кількість теплоти, що передається теплопровідністю, Дж;

- коефіцієнт тепловіддачі конвекцією Вт/(м²·К);

- середній температурний напір між нерухомою стінкою і середовищем, К;

- площа поверхні теплообміну, м²;

- час, с.

Для випадку стаціонарної тепловіддачі попереднє рівняння матиме вигляд

,

- тепловий потік, Вт;

- складна величина, на значення якої впливають найменші зміни наступних факторів: вимушена або вільна конвекція; фізичні властивості тіла і середовища; геометричні форми нерухомої стінки; напрямок руху середовища (кут атакі).

Враховують три режими руху середовища в середині каналу змінної форми або вздовж нерухомої стінки: турбулентний—коли інтенсивне переміщення сусідніх шарів середовища; ламінарний—коли не перемішуються сусідні шари рухомого середовища; перехідний—режим, коли мають місце елементи ламінарного і турбулентного режимів.

Диференційне рівняння конвективного теплообміну

Диференційне рівняння конвективного теплообміну основане на наступному припущенні: кількість теплоти (тепловий потік), що проходить теплопровідністю через стінку, дорівнює тепловому потоку, що проходить теплопровідністю через ламінарний шар або підшар , утворений омиваючим середовищем в безпосередній близькості від поверхні теплообміну і дорівнює тепловому потоку, що конвекцією від ламінарного шару передається загальному об’єму омиваючого середовища. Товщина ламінарного шару залежить від фізичних властивостей середовища (густини, в’язкості), а також шорсткості матеріалу поверхні і фізичних властивостей середовища, які в ламінарному шарі приймаються при температурі стінки поверхні.

Н а основі цього припущення для омиваючого середовища можна написати рівняння

,

де - коефіцієнт теплопровідності середовища в ламінарному шарі або підшарі при температурі стінки труби, Вт/(м·К); - градієнт температури направлений в бік її зростання (векторна величина) або нескінченно малий приріст температури по нормалі через ламінарний шар або підшар, К/м; - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від ламінарного шару до загального об’єму омиваючого середовища, Вт/(м²·К); - різниця температур між середньою температурою стінки і омиваючим середовищем.

Якщо ліву і праву частини рівняння одночасно розділити на ліву частину, то отримаємо основне критеріальне рівняння тепловіддачі, критерій або число Нуссельта

.

Критерій Нуссельта є основним або визначаємим в теорії теплообміну тому, що включає основну величину конвективного теплообміну . Усі інші критерії визначаючі (визначають критерій Нуссельта). В теорії теплообміну (тепловіддачі конвекцією) використовується приблизно 20 визначаючих критеріальних чисел, кількість яких може зростати для нової задачі. Вони називаються іменами вчених, які вперше їх запропонували—критерій Рейнольдса (Re); критерій Прандтля (Pr); критерій Граcгофа (Gr); критерій Архімеда (Ar) та ін.

Для того, щоб можна було використовувати дану конкретну задачу тепловіддачі конвекцією на подібних моделях її описують в критеріальному, безрозмірному вигляді

.

Наприклад, тепловіддача конвекцією від горизонтальної стінки труби до вільного омиваючого повітря описується залежністю або тепловіддача конвекцією від стінки вертикальної трубки до вільно омиваючого повітря описується рівнянням виду

,

де сталі числа.

Для того, щоб порахувати для конкретної фізичної задачі тепловіддачі конвекцією потрібно в літературі знайти в критеріальній формі залежність, яка описує цю задачу, порахувати визначаючі критерії, визначити визначуваний критерій Нуссельта і далі обчислити .