Теплоотдача в ограниченном пространстве

В ограниченном пространстве процессы нагревания и охлаждения жидкости протекают вблизи друг от друга и разделить их невозможно; в этом случае теплоотдачу надо рассматривать в целом. Вследствие ограниченности пространства и наличия восходящих и нисходящих потоков здесь усложняются условия движения. Они зависят от формы и геометрических размеров, от рода жидкости и температурного напора.

В вертикальных каналах и щелях в зависимости от их толщины δ циркуляция жидкости может протекать двояко. Если толщина δ достаточно велика, то восходящий и нисходящий потоки протекают без взаимных помех (рис. 2.44, а) и имеют такой же характер, как и вдоль вертикальной поверхности в неограниченном пространстве. Если же толщина δ мала, то вследствие взаимных помех внутри возникают циркуляционные контуры (рис. 2.44, б).

Рисунок 2.44 – Характер естественной циркуляции жидкости в ограниченном

замкнутом пространстве.

В горизонтальных щелях процесс определяется взаимным расположением нагретых и холодных поверхностей и расстоянием между ними. Если нагретая поверхность расположена сверху, то циркуляция совсем отсутствует (рис. 2.44, в). Если же нагретая поверхность расположена снизу, то имеются и восходящие и нисходящие потоки, которые между собой чередуются (рис. 2.44, г). На рис. 2.45 показана визуализация такого течения.

а б

рис. 2.45 Визуализация течения в горизонтальной прослойке (нижняя стенка горячая):

а- поперечное сечение прослойки; б- вид сверху через прозрачную стенку

В шаровых и горизонтальных цилиндрических прослойках в зависимости от их толщины (или соотношения диаметров) циркуляция протекает по схемам рис. 2.44, д и е. Необходимо обратить внимание, что здесь циркуляция развивается лишь в зоне, лежащей выше нижней кромки нагретой поверхности. Ниже этой кромки жидкость остается в покое. Если же нагрета внешняя цилиндрическая поверхность, то циркуляция жидкости протекает по схеме рис. 2.44, ж и охватывает все пространство, расположенное ниже верхней кромки холодной поверхности. Визуализация данных процессов показана на рис. 2.46 [ альбом визуализаций]

а) б)

Рис. 2.46. - Визуализация линий тока (а) и изотерм (б) в цилиндрических прослойках

Для облегчения расчета такой сложный процесс конвективного теплообмена принято условно приводить к процессу теплопроводности, вводя при этом понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности

.

Если значение λ_эк разделить на коэффициент теплопроводности λ среды, то получим безразмерную величину , которая характеризует собой влияние конвекции и называется коэффициентом конвекции.

Так как циркуляция жидкости обусловлена разностью плотностей нагретых и холодных частиц и определяется произведением Gr·Pr, то и должно быть функцией того же аргумента, т. е.

При вычислении чисел подобия независимо от формы прослойки за определяющий размер принята ее толщина δ, а за определяющую температуру — средняя температура жидкости . Несмотря на условность такой обработки и явную недостаточность определяющих параметров в выбранной системе координат все опытные точки для плоских (вертикальных и горизонтальных), цилиндрических и шаровых прослоек довольно хорошо укладываются на одну общую кривую.

При малых значениях значение = 1. Это означает, что при малых значениях Gr _ж ·Pr _ж перенос теплоты от горячей стенки к холодной через прослойки обусловливается только теплопроводностью жидкости.

При значении

(2-36)

и при

(2-37)

Снижение интенсивности переноса теплоты при больших значениях аргумента следует объяснить взаимной помехой в движении поднимающихся (нагретых) и опускающихся (охлажденных) струй жидкости.

В приближенных расчетах вместо формул (2-36) и (2-37) для всей области значений аргументов можно применять зависимость

, (2-38)

которую можно привести к виду

, (2-39)

где

.

Если при расчете по формуле (2-39) получается, что <1, то это означает, что и, следовательно, = 1.