Конвективный теплообмен

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА ПРОЦЕССА

КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

Конвективный теплообмен - это процесс совместного переноса теплоты теплопроводностью и конвекцией. Такое переплетение процессов, обусловленных молекулярными механизмами переноса энергии и перемещением макрообъемов, всегда имеет место в потоке жидкости или газа.

В дальнейшем газ или жидкость, участвующие в теплообмене, будут называться общим понятием - теплоноситель.

В технике наибольшее значение имеет конвективный теплообмен между твердым телом и омывающим его теплоносителем. Этот процесс называется также теплоотдачей.

Конвективный теплообмен неразрывно связан с движением теплоносителя. В результате этого движения объёмы жидкости или газа, перемещаясь из области с большей температурой в область с меньшей температурой, переносят с собой теплоту. Поэтому теплоотдача в значительной мере определяется факторами, влияющими на характер течения теплоносителя вблизи обтекаемого тела.

Пограничный слой

Между поверхностью обтекаемого тела и теплоносителем всегда существуют силы молекулярного взаимодействия, в результате чего частицы теплоносителя, непосредственно прилегающие к стенке, полностью тормозятся, как бы «прилипают» к ней, и их скорость становится равной нулю. Эти частицы под действием сил вязкости тормозят близлежащие слои, в результате чего у стенки образуется слой приторможенного теплоносителя - пограничный слой (рис. 2.1). Толщина этого слоя d по мере удаления от передней кромки тела увеличивается, поскольку «тормозящее» действие стенок сказывается на все более отдалённых от них областях течения.

Рис. 2.1. Схема течения в пограничном слое	Рис. 2.2. Изменение температур ы в пограничном слое

При изучении теплового взаимодействия потока со стенкой принято различать динамический и тепловой пограничные слои.

Динамическим пограничным слоем называется пристенный слой теплоносителя, в котором скорость его изменяется от нуля (на стенке) до величины, практически равной скорости внешнего потока (рис. 2.1).

Тепловым пограничным слоем называется пристенный слой теплоносителя, в котором его температура меняется от значения, равного температуре стенки до температуры, практически равной температуре внешнего потока теплоносителя (рис. 2.2).

Скорость и температура в пограничном слое по мере удаления от стенки асимптотически стремятся к скорости и температуре внешнего потока.

Обычно под толщиной пограничного слоя понимают такое расстояние от стенки, на котором скорость (или температура) отличается от скорости (температуры) внешнего потока на малую величину порядка 1 %.

Интенсивность конвективного теплообмена в значительной мере определяется режимом течения теплоносителя в пограничном слое. Существует два основных режима течения: ламинарный и турбулентный. В первом случае пограничный слой называется ламинарным, а во втором - турбулентным.

Ламинарное течение - это слоистое течение без перемешивания частиц теплоносителя и без пульсаций скорости. Здесь направление общего движения потока совпадает с направлением движения отдельных частиц.

Турбулентное течение - это течение, характеризующееся наличием (кроме общего направленного движения) беспорядочного, нерегулярного перемещения малых объёмов теплоносителя и их интенсивным перемешиванием. И хотя средние значения параметров потока могут быть постоянными по времени, мгновенные значения скорости, давления, плотности и температуры отдельных частиц имеют пульсационный характер. Относительный уровень пульсаций скорости называется степенью турбулентности потока.

Соответственно различают ламинарный и турбулентный пограничные слои, причём на малом расстоянии от передней кромки обтекаемого тела обычно наблюдается ламинарный пограничный слой, а затем он переходит в турбулентный (рис. 2.1). При этом и в турбулентном пограничном слое у поверхности стенки имеется тонкий слой, движение в котором мало отличается от ламинарного (так называемый ламинарный подслой).

Режим течения в пограничном слое определяет механизм переноса теплоты. Основным способом переноса теплоты при ламинарном движении теплоносителя является теплопроводность, так как по нормали к направлению движения теплота переносится теплопроводностью и только вдоль омываемой поверхности наряду с теплопроводностью осуществляется перенос теплоты движущимися макрочастицами теплоносителя. Так как жидкости и газы имеют относительно небольшую теплопроводность, то ламинарный пограничный слой создаёт большое тепловое сопротивление.

При турбулентном течении частицы теплоносителя, помимо продольного движения, совершают и поперечные перемещения, перенося поперек потока кинетическую энергию и теплоту. Поэтому при турбулентном пограничном слое из-за наличия турбулентного перемешивания интенсивность теплообмена оказывается значительно выше, чем при ламинарном.