Теплоотдача при естественной конвекции
Рис. 13.3. Свободное движение воздуха вдоль нагретой вертикальной трубы |
Естественная конвекция (или свободное движение) жидкости возникает из-за разности плотностей нагретой и холодной жидкости. Плотность нагретых частиц жидкости меньше, поэтому теплая жидкость всплывает, а холодная опускается. Движение жидкости возникает без внешнего побуждения в результате самого процесса теплообмена, поэтому для обозначения процесса используется также термин — естественная конвекция. Типичная картина развития свободного движения воздуха вдоль нагретой вертикальной трубы показана на рис. 13.3.
При свободном движении жидкости температура ее в пограничном слое изменяется от значения tс до tж (рис. 13.4), а скорость движения изменяется от нуля у стенки до максимума, и на некотором расстоянии от стенки затухает, снова становится равной нулю (см. рис. 13.4). В начале движения толщина нагретого слоя мала, и течение имеет ламинарный характер. По мере движения толщина слоя увеличивается, течение становится неустойчивым, сначала возникает волнообразность, затем локонообразность, после чего развивается неупорядоченно-вихревое турбулентное течение слоя. Изменение характера движения отражается на теплоотдаче. Ламинарное движение сопровождается возрастанием толщины пограничного слоя, и поэтому коэффициент теплоотдачи по направлению движения резко убывает (рис. 13.5). Возникновение турбулентного режима приводит к перемешиванию жидкости, из-за чего возникает теплоотдача, достигающая на некотором расстоянии от начала движения своего стабильного значения.
|
|
Рис. 13.4. Изменение tж и V при свободном движении среды вдоль нагретой вертикальной стенки | Рис. 13.5. Изменение коэффициента теплоотдачи по высоте трубы или пластины при свободном движении среды |
При естественной конвекции форма тела играет второстепенную роль. Гораздо большее значение имеет протяженность поверхности, вдоль которой происходит движение, а также ее положение.
На рис. 13.6 показано движение воздуха около нагретых горизонтальных труб. Как видно из рисунков, картина движения воздуха напоминает движение вдоль вертикальной трубы, отличаясь, однако, у труб большого и малого диаметра.
Движение жидкости около горизонтальных плоских поверхностей имеет другой характер и в значительной мере зависит от положения плиты и ее размеров. На рис. 13.7 а приведена схема движения жидкости над нагретой плитой малого размера. Если плита имеет большие размеры, то из-за восходящего потока нагретой жидкости по краям плиты, центр ее оказывается изолированным, и вентиляция его происходит за счет провалов холодной жидкости сверху (рис. 13.7 б). Конвекция жидкости резко снижается, если плита обращена нагретой поверхности вниз. В этом случае (рис. 13.7 в) движение происходит только в тонком слое жидкости непосредственно под поверхностью нагрева, остальная масса жидкости остается неподвижной.
|
|
Рис. 13.7. Характер свободного движения жидкости
около нагретых горизонтальных плит
При горизонтальном расположении теплообменных поверхностей критериальное уравнение теплообмена имеет вид:
. (13.16)
Для вертикальных поверхностей теплообмена в зависимости от режима критериальные уравнения имеют вид:
§ для ламинарного режима, когда
; (13.17)
§ для турбулентного режима, когда
. (13.18)