Тема 10. Конвективний теплообмін.

10.1. Фактори, що впливають на конвективний теплообмін.

Конвективним теплообміном називається одночасний перенос теплоти конвекцією і теплопровідністю. В інженерних розрахунках часто визначають конвективний теплообмін між потоками рідини або газу і поверхнею твердого тіла. Цей процес конвективного теплообміну називають конвективной тепловіддачею або просто тепловіддачею.

Основними факторами, що впливають на процес тепловіддачі є наступні:

1). Природа виникнення руху рідини уздовж поверхні стінки.

Мимовільний рух рідини (газу) у полі тяжіння, обумовлене різницею гстини її гарячих і холодних шарів, називають вільним рухом (природна конвекція).

Рух, створюваний унаслідок різниці тисків, що створюються насосом, вентилятором і іншими пристроями, називається змушеним (змушена конвекція).

2). Режим руху рідини.

Упорядкований, шаруватий, спокійний, без пульсацій рух називається ламінарним.

Безладний, хаотичний, вихровий рух називається турбулентним. 3). Фізичні властивості рідин і газів.

Великий вплив на конвективний теплообмін роблять наступні фізичні параметри: коефіцієнт теплопровідності (), питома теплоємність (с), щільність (ρ), коефіцієнт температуропроводності (а = λ/c_р·ρ), коефіцієнт динамічної в'язкості (μ) або кінематичної в'язкості (ν = μ/ρ), температурний коефіцієнт об'ємного розширення (β = 1/Т).

4). Форма (плоска, циліндрична), розміри і положення поверхні (горизонтальна, вертикальна).

10.2.Закон Ньютона-Рихмана.

Процес теплообміну між поверхнею тіла і середовищем описується законом Ньютона-Рихмана, що говорить, що кількість теплоти, передана конвективним теплообміном прямо пропорційно різниці температур поверхні тіла (t_'ст) і навколишнього середовища (t_'ж):

Q = α · (t_'ст - t_'ж)·F , (10.1)

або

q = α · (t_'ст - t_'ж) , (10.2)

де: коефіцієнт тепловіддачі [Вт/(м²К)], характеризує інтенсивність теплообміну між поверхнею тіла і навколишнім середовищем.

Фактори, що впливають на процес конвективного теплообміну, включають у цей коефіцієнт тепловіддачі. Тоді коефіцієнт тепловіддачі є функцією цих параметрів і можна записати цю залежність у виді наступного рівняння:

α = f₁(Х; Ф; l_o; x_c; y_c; z_c; w_o; θ; λ; а; с_р; ρ; ν; β) , (10.3)

де: Х – характер руху середовища (вільна, змушена); Ф – форма поверхні; l_o – характерний розмір поверхні (довжина, висота, діаметр і т.д.); x_c; y_c; z_c – координати; w_o – швидкість середовища (рідина, газ); θ = (t_'ст - t_'ж) – температурний напір; λ – коефіцієнт теплопровідності середовища; а – коефіцієнт температуропроводності середовища; с_р - ізобарна питома теплоємність середовища; ρ - щільність середовища; ν – коефіцієнт кінематичної в'язкості середовища; β – температурний коефіцієнт об'ємного розширення середовища.

Рівняння (10.3) показує, що коефіцієнт тепловіддачі величина складна і для її визначення неможливо дати загальну формулу. Тому для визначення коефіцієнта тепловіддачі застосовують експериментальний метод дослідження.

Достоїнством експериментального методу є: вірогідність одержуваних результатів; основну увагу можна зосередити на вивченні величин, що представляють найбільший практичний інтерес.

Основним недоліком цього методу є, що результати даного експерименту не можуть бути використані, стосовно до іншого явищу, що у деталях відрізняється від вивченого. Тому висновки, зроблені на підставі аналізу результатів даного експериментального дослідження, не допускають поширення на інші явища.

Отже, при експериментальному методі дослідження кожен конкретний випадок повинний служити самостійним об'єктом вивчення.