2020-04-07
227
¨ Под конвекцией понимают процесс передачи тепла из одной части пространства в другую перемещающимися макроскопическими объемами жидкости или газа.
¨ В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости или газа конвекция может быть вынужденной или свободной.
¨ Естественное или свободное движение обусловлено разностью плотностей неравномерно нагретой среды.
¨ Принудительная вынужденная конвекция осуществляется внешними побудителями (насосами, вентиляторами, компрессорами и др.)
Количество тепла, получаемое (отдаваемое) телом при конвективном теплообмене, определяется по закону Ньютона-Рихмана
 ,
| (3.1) |
где
Тс — температура поверхности тела, К;
Тж — температура окружающей тело жидкой или газообразной среды, К;
F — поверхность теплообмена, м2;
t — продолжительность теплообмена, с;
a — коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2×К).
Как правило, в уравнении (3.1) все величины, кроме a, известны. Коэффициент теплоотдачи конвекцией или аналогичный ему безразмерный коэффициент теплоотдачи конвекцией (число Нуссельта) Nu находят по эмпирическим формулам типа:
— при свободной конвекции;
— при вынужденной конвекции.
Здесь
C, m, n — константы;
Gr — критерий Грасгофа;
Re — критерий Рейнольдса;
Pr — критерий Прандтля.
Свободная конвекция
При свободной конвекции в неограниченном пространстве коэффициент теплотдачи вертикально расположенной поверхности определяют по формуле
 .
| (3.2) |
Значения параметров C и n приведены ниже:
| (Gr×Pr) | 5×102  1×1010
| 5×102 2×107
| 2×107  1013
|
| C | 1,18 | 0,54 | 0,135 |
| n | 1/8 | ¼ | 1/3 |
При горизонтальном расположении поверхности теплообмена полученное значение надо увеличить на 30% (поверхность обращена кверху) или уменьшить на 30% (поверхность обращена книзу).
Теплоотдача при свободном движении в большом объеме описывается уравнениями:
а) для горизонтальных труб при 103 < (Gr×Рr) < 108
 .
| (3.3) |
Из формулы видно, что критерий теплоотдачи зависит от произведения критерия физических свойств жидкости Pr (Прандтля) и критерия подъемной силы Gr (Грасгофа);
б) для вертикальных поверхностей (пластины, трубы) при 103 < (Gr×Рr) < 109
 .
| (3.4) |
При заданной форме тела данной жидкости величина коэффициента теплоотдачи, следовательно, сильно зависит от размера тела, а также от температурного напора между жидкостью и стенкой.
Для двухатомных газов формула (3.4) упрощается и приобретает вид:
 .
| (3.5) |
Для тел любой формы и размера, расположенных горизонтально и вертикально, для капельных жидкостей и газов может быть использована формула М. А. Михеева
 .
| (3.6) |
В этой формуле критерии взяты при средней температуре представляющей среднеарифметическую температуру жидкости (взятой вне зоны, охваченной циркуляцией) и стенки. Определяющим геометрическим размером для труб и шаров являются диаметр d, а для плит — их высота h.
При значении (Gr×Pr)<1 значение Nu=0,5, и тогда коэффициент теплоотдачи 
. В этом случае теплоотдача определяется только теплопроводностью среды (случай пленочного режима).
Выше были рассмотрены случаи теплоотдачи при свободном движении в очень большом или неограниченном пространстве.
Однако, на практике встречаются случаи, когда процесс развивается в малом зажатом пространстве, где движение потоков стеснено.
При свободной конвекции в ограниченном пространстве количество переданного тепла определяют по формуле
 ,
| (3.7) |
где
— эквивалентный коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К);
δ — толщина слоя, участвующего в теплообмене, м;
- разность температур на границах слоя, К;
— коэффициент, равный = 1 при (Gr×Pr) < 1000 и
= 0,18×(Gr×Pr)°,25 при (Gr×Pr) > 1000.
При свободном движении щелочных и тяжелых металлов, а также их сплавов рекомендуется следующее уравнение:
 .
| (3.8) |
В этом уравнении С и n находятся в зависимости от значений числа Gr:
при Gr=102 
109 С=0,52 и n=0,25 (ламинарный режим);
при Gr=109 1013 C=0,106 и n =0,33 (турбулентный режим).
За определяющую температуру принята средняя температура пограничного слоя
 .
| (3.9) |
За определяющий размер приняты: для вертикальных пластин — их высота, для горизонтальных труб — внешний диаметр.
