2. Конвективный теплообмен

Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела называется конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей

конвективный теплообмен неразрывно связан с переносом самой среды. Поэтому данный процесс возможен лишь в жидкостях и газах, частицы которых могут легко перемещаться.

Различают свободную и вынужденную конвекцию. В первом случае движение в рассматриваемом объеме жидкости возникает за счет неоднородности в нем массовых сил. Например, свободная конвекция возникает, если жидкость с неоднородным распределением температуры и, как следствие, неоднородным распределением плотности находится в поле земного тяготения. Такая конвекция называется гравитационной и именно она будет в дальнейшем рассматриваться.

Вынужденная конвекция происходит под воздействием внешних поверхностных сил, приложенных на границах рассматриваемого объема жидкости. Это может быть сделано посредством работы насоса, вентилятора и т.д.

В общем случае наряду с вынужденной конвекцией одновременно может развиваться и свободная. Это имеет место в случае, когда действие массовых и поверхностных сил сопоставимо. В таком случае имеет место смешанная конвекция. Относительное влияние свободной конвекции тем больше, чем больше разность температур отдельных частиц жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения. При сравнительно больших скоростях вынужденного движения влияние свободной конвекции становится пренебрежимо малым. Смешанная конвекция в теплоэнергетических установках практически не встречается.

2.1. Гидродинамический и тепловой пограничные слои

Для инженерной практики особый интерес представляет теплообмен между жидкостью и омываемым ею телом. Рассмотрим особенности течения и переноса теплоты в пристенном слое жидкости.

В настоящее время в гидродинамике вязкой жидкости считается, что частицы жид­кости, непосредственно прилегающие к твердому телу, адсорбируются последним, как бы прилипают к его поверхности, и их скорость относительно этого тела рав­на нулю. Этот слой «прилипшей» жидкости нужно рассматривать как беско­нечно тонкий слой.

при обтекании поверхностей любой формы возникают гидродинамический и тепловой пограничные слои, которые существенно влияют на процесс теплоотдачи.

^{Рис. 2.1. Изменение скорости жидкости в гидродинамическом пограничном слое}

Гидродинамический пограничный слой. Для простоты рассмотрим продольное обтекание плоской поверхности тела безграничным пото­ком жидкости (Рис. 2.1). Скорость и температура набегаю­щего потока постоянны и равны соответственно w₀ и t₀. При соприкосновении частиц жидкости с поверхностью тела они «прилипают» к ней. В результате в области около пластины вследствие действия сил вязкости образуется тонкий слой заторможенной жидкости, в пределах которого скорость изменяется от нуля на поверхно­сти тела до скорости невозмущенного потока (вдали от тела). Этот слой заторможенной жидкости получил название гидродинамического пограничного слоя.

Таким образом, при обтекании тела поток жидкости как бы разде­ляется на две части: на пограничный слой и на внешний по­ток. Во внешнем потоке преобладают силы инерции, вязкостные силы здесь не проявляются. Напротив, в пограничном слое силы вязкости и инерционные силы соизмеримы.

Тепловой пограничный слой. Аналогично понятию гидро­динамического пограничного слоя относительно температуры жидкости введено по­нятие теплового пограничного слоя (рис. 2.2). Тепловой пограничный слой – это слой жидкости у стенки, в преде­лах которого температура изменяется от зна­чения, равного температуре стенки, до значе­ния, равного температуре жидкости вдали от тела.

Таким образом, все изменение температуры жидкости сосредоточивается в сравни­тельно тонком слое, непосредственно приле­гающем к поверхности тела.

Рис. 2.2. - Изменение темпе­ратуры в тепловом погра­ничном слое

Гидродинамический и тепловой пограничные слои в общем случае не совпадают, однако они влияют друг на друга.

Гидродинамический пограничный слой обычно неоднороден. При малых значениях х течение в пограничном слое можеи быть ламинарным (Рис. 2.3). По мере увеличения х толщина пограничного слоя возрастает, слой становится неустойчивым и течение в пограничном слое становится турбулентным (Рис. 2.4). При этом турбулентный участок имеет тонкий пристенный ламинарный подслой, который существенным образом влияет на процесс переноса теплоты между поверхностью и жидкостью. через этот подслой теплота переносится посредством теплопроводности, поэтому уменьшение его толщины или его разрушение улучшает теплоотдачу.

Убрать б и в

Рис.2.3. – Структура гидродинамического

пограничного слоя Рис 2.4.- визуализация

турбулентного участка погранслоя