ТМО-4 КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА
4.1 Основные понятия
Конвекция – второй вид теплообмена, происходит только в газах и жидкостях и состоит в том, что перенос теплоты осуществляется перемещающимися объемами среды. Процесс переноса теплоты конвекцией всегда сопровождается переносом теплоты теплопроводностью.
Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.
Процесс переноса теплоты между поверхностью твердого тела и жидкой средой называется теплоотдачей.
Явление теплопроводности в жидкостях и газах, как и в твердых телах вполне определяется коэффициентом теплопроводности и температурным градиентом. Иначе обстоит дело с явлением конвекции, которое является весьма сложным процессом переноса теплоты неразрывно связанным с переносом массы при движении.
В зависимости от природы возникновения движения различают свободную и вынужденную конвекцию.
При вынужденной конвекции движение жидкости создается искусственно, внешним побудителем (насос, вентилятор). При свободной конвекции – движение жидкости возникает в связи с ее нагреванием и изменением плотности.
Характер движения жидкости влияет на интенсивность передачи теплоты конвекцией и на величину силы трения в потоке.
В 1884 г. О. Рейнольдс опытным путем установил, что при движении жидкости формируются два основных вида потока, подчиняющихся различным законам.
Ламинарное движение – все частицы потока движутся только по параллельным между собой траекториям, и движение их длительно совпадает с направлением всего потока.
Турбулентное движение – все частицы, перемещаясь вдоль канала с некоторой скоростью, совершают беспорядочные, хаотичные движения. Происходит непрерывное перемешивание всех слоев жидкости, пульсации и завихрения потока. Чем больше пульсаций и завихрений, тем поток является более турбулентным.
В некоторых случаях отдельно выделяют переходный (от ламинарного к турбулентному) режим движения.
Режим течения определяют по значению числа Рейнольдса:
(4.1)
где w – средняя скорость потока, м/с;
l – определяющий линейный размер канала, м;
ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с.
Для каждой группы явлений конвективного теплообмена значения числа Рейнольдса, определяющие характер течения потока имеют свои конкретные значения. Например, при движении жидкости в трубе ламинарный режим течения сохраняется до Re = 2000.
4.2 Физические свойства жидкостей
Известно, что конвекция происходит только в газах и жидкостях и состоит в том, что перенос теплоты осуществляется перемещающимися объемами среды.
В качестве жидких и газообразных теплоносителей в технике применяют различные вещества: воздух, воду, газы, масло, нефть, спирт, ртуть, расплавленные металлы и др. В зависимости от физических свойств веществ, процессы теплоотдачи протекают различно.
Большое влияние на теплообмен оказывают следующие физические параметры: λ, с, ρ, а, μ. Эти параметры для каждого вещества имеют определенные значения и являются функцией температуры, а некоторые и давления.
Все реальные жидкости обладают вязкостью: между частицами и слоями, движущимися с различными скоростями, всегда возникает сила внутреннего трения (касательное усилие), ускоряющая движение более медленного слоя и тормозящая движение более быстрого.
Величина силы внутреннего трения S между слоями, отнесенная к единице поверхности, согласно закону Ньютона пропорциональна градиенту скорости dw/dn по нормали к направлению движения потока:
(4.2)
μ – коэффициент пропорциональности, зависящий от природы жидкости и ее температуры и называемый коэффициентом динамической вязкости или коэффициентом внутреннего трения, н·сек/м2.
Вязкость капельных жидкостей с увеличением температуры уменьшается и почти не зависит от давления.
У газов с увеличением температуры и давления вязкость увеличивается. Коэффициент вязкости идеальных газов не зависит от давления.
В уравнениях гидродинамики и теплопередачи (в особенности в критериальной форме) часто используют коэффициент кинематической вязкости:
(4.3)