Расчёт теплового потока через слои жидкости методом эквивалентной теплопроводности

Рассматриваемый метод предназначен для случаев, когда объём жидкости можно считать слоем между горячей и холодной поверхностями, в частности, для схем, рассмотренных в предыдущем разделе.

Сущность метода – средняя плотность теплового потока через слой жидкости рассчитывается по формулам теплопроводности для такого слоя, где в качестве коэффициента теплопроводности подставляется . Например, для плоского слоя будет , где – эквивалентный коэффициент теплопроводности, учитывающий и конвекцию, и теплопроводность:

.

Безразмерный параметр – коэффициент конвекции – должен определяться по числу Релея из уравнения подобия вида .

Эта функция оказывается примерно одинаковой для самых разных по форме и размерам слоёв – плоских горизонтальных и вертикальных, цилиндрических, шаровых и т.д., для газов и жидкостей. За определяющий размер принимается (входит в число ), определяющая температура – , . При , как обычно, конвекцию можно считать отсутствующей, имеет место чистая теплопроводоность:

При ;

при

при .

Видно, что если обычно с увеличением и соответствующим изменением режима интенсивность теплообмена растёт всё быстрее (показатель при увеличивается, см., напр. (6), (7)), то здесь рост интенсивности замедляется – показатель падает с 0,3 до 0,2. Это можно объяснить тем, что развитию турбулентности мешает стеснённость слоя стенками.

Учитывая приближенность указанных формул, часто используют формулу, единую для всего диапазона чисел Ra

.

(Здесь при ).

Контрольные вопросы

1. Дайте определение свободной конвекции и опишите общую картину процесса. Какие факторы определяют свободную конвекцию?

2. Число Грасгофа: обозначение, структура, смысл, значение в теплоотдаче.

3. Какие числа подобия в случае свободной конвекции являются определяющими и какие искомыми?

4. Приведите примеры процессов свободной конвекции, описав схемы течений и теплообмена.

5. Какую структуру имеют уравнения подобия для расчёта теплоотдачи при свободной конвекции?

6. Укажите основные схемы свободной конвекции в ограниченном пространстве, назовите их особенности.

7. В чём сущность метода эквивалентной теплопроводности? Как определяется коэффициент конвекции?