Основные положения

ТЕОРИЯ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ

Часть 2

ОСНОВЫ ТЕПЛООБМЕНА

Учебное пособие

ВВЕДЕНИЕ

Тепловая энергия, выделяемая элементами и узлами любого аппарата, передаваемая другим его частям и кожуху, рассеивается в окружающее пространство. Переход тепла от одной части аппарата к другой, а также в окружающую среду, может осуществляться тремя способами: конвекцией, излучением и теплопроводностью (кондукцией). Обычно все три способа переноса тепловой энергии существуют одновременно и в своей совокупности определяют тепловой режим аппарата, от которого зависит надежность функционирования тепловых систем.

ТЕПЛООБМЕН КОНВЕКЦИЕЙ

Основные положения.

Перенос тепла конвекцией имеет место в жидких и газообразных средах, а также между последними и поверхностью твердых тел. Этот перенос тепла связан с движением самой среды (жидкости, газа). Движение жидкости может быть свободным и вынужденным. Свободное движение (естественная конвекция) происходит вследствие разности плотностей холодных и нагретых частиц жидкости.

Вынужденное движение создается специальными насосами, вентиляторами и т.д. В общем случае при вынужденном может развиваться и свободное движение. Относительное влияние последнего на теплообмен тем больше, чем меньше скорость вынужденного движения и больше разность температур в отдельных точках жидкости (между поверхностью тела и жидкостью). В дальнейшем жидкость и газообразные среды будем называть одним термином – жидкость.

Количество тепла, передаваемого конвекцией, существенно

зависит от режима движения жидкости. Различают два основных

режима: ламинарный и турбулентный (рис.1.1, а, б).

Рис.1.1. Режим движения жидкости у поверхности стенки:

а - ламинарный; б- турбулентный; в - переходный;

г - характер изменения температуры поверхности

нагретого тела.

При ламинарном режиме движение имеет струйчатый характер, когда отдельные частицы жидкости перемещаются почти параллельно. Турбулентный режим характеризуется неупорядоченным, вихревым движением. В ряде случаев кроме ламинарного и турбулентного различают переходный режим (рис1.1.в), когда наряду с упорядоченным имеет место и вихревое движение.

Наибольший перенос тепла имеет место при турбулентном движении жидкости, наименьший при ламинарном. Интенсивность теплообмена конвекцией характеризуется коэффициентом теплоотдачи a_К, который представляет собой количество тепла, отдаваемого с единицы поверхности тела в единицу времени при разности температур между поверхностью и средой в один градус. Его размерность [Вт/м^{2 о}С].

При конвективном теплообмене тела с окружающей средой у поверхности тела формируется тепловой пограничный слой, в пределах которого температура среды (жидкости, газа) изменяется от значения, равного температуре поверхности t_S, до температуры окружающей среды t_С вдали от этой поверхности.

Характер изменения температуры среды в направлении нормали к поверхности представлен на рис.1.1.г. Толщина этого пограничного слоя d зависит как от теплофизических свойств среды, так и от режима течения жидкости в пограничном слое, и

выражается формулой

где l - теплопроводность среды.