Конвективный теплообмен
Понятие конвекции, конвективного теплообмена и конвективной теплоотдачи рассмотрено в начале части второй в разделе "Виды теплообмена". Поэтому, не повторяя приведенных там определений, отметим только, что здесь и далее мы будем рассматривать конвективную теплоотдачу.
Конвективная теплоотдача является достаточно сложным процессом, который зависит от многих факторов: от природы возникновения движения жидкости; режима движения; скорости и температуры жидкости; физических параметров жидкости; формы и размеров омываемого тела и некоторых других.
Рассмотрим названные факторы.
По природе возникновения различают два вида движения - свободное и вынужденное, и, в соответствие с этим, свободную и вынужденную конвекцию. В случае свободной конвекции жидкость или газ движутся за счет разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости, находящихся в поле земного тяготения, т.е. происходит свободное гравитационное движение, вызванное неоднородностью температурного поля. Свободную конвекцию называют также естественной конвекцией.
|
|
При вынужденной конвекции жидкость или газ движутся за счет внешних сил (например, за счет работы насоса, вентилятора, компрессора и т.д.). Вынужденное движение в общем случае может сопровождаться свободным движением. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разница температур отдельных точек жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения. При больших скоростях вынужденного движения влияние свободной конвекции становится пренебрежимо малым. Условимся, что в дальнейшем под словом жидкость мы будем понимать и каплеобразные и газообразные жидкости.
Процессы теплоотдачи неразрывно связаны с условиями движения жидкости. Как известно из курса гидравлики, имеется два основных течения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме течение имеет спокойный струйчатый характер, т.е. частицы жидкости движутся параллельно стенкам канала. При турбулентном режиме движение неупорядоченно-хаотическое, вихревое. Режим движения зависит oт скорости движения жидкости ω, ее кинематической вязкости υ и характерного (определяющего) размера канала или обтекаемого тела ℓ. Названные величины были сгруппированы. О. Рейнольдсом в безразмерный комплекс, который получил название числа Рейнольдса:
Переход ламинарного режима в турбулентный, происходит при критическом значении этого числа Reкр. Например, при движении жидкости в трубах Reкр=ω*d/υ ≈2*103. При турбулентном режиме не вся масса жидкости имеет неупорядоченный характер движения. Около ограничивающей поток стенки, вследствие действия сил вязкости, образуется тонкий слой заторможенной жидкости, в пределах которого скорость изменяется от нуля на поверхности тела до скорости невозмущенного потока. Этот слой заторможенной жидкости называют: гидродинамический пограничный слой. В пределах пограничного слоя течения может быть как ламинарным, так и турбулентным. Однако и при турбулентном пограничном слое у стенки будет тонкий ламинарный подстой.
|
|
В процессе теплоотдачи режим движения жидкости имеет очень большое значение, т.к. им определяется механизм переноса тепла. При ламинарном режиме перенос тепла в направлении нормали к стенке осуществляется теплопроводностью. При турбулентном режиме такой способ переноса тепла сохраняется лишь в пограничном слое (или подслое), а внутри турбулентного ядра перенос тепла осуществляется путем интенсивного перемешивания частиц жидкости, т.е. конвекцией.
В качестве теплоносителей используют различные вещества: воздух, воду, газ, масла, расплавленные металлы и т.д. В зависимости от физических свойств этих веществ, процессы теплоотдачи протекают различно. Большое влияние на теплоотдачу оказывают следующие физические параметры теплоносителей: коэффициент теплопроводности λ, удельная теплоемкость С, плотность ρ, коэффициент температуропроводности а, динамический коэффициент вязкости μ и кинематический коэффициент вязкости υ. Два последних коэффициента связаны соотношением:
,
Для каждого вещества эти параметра имеют определенные значения и являются функцией температуры, а некоторые из них и давления.
Форма и размеры поверхности теплообмена существенно влияют на теплоотдачу. В зависимости от них может резко меняться характер обтекания поверхности и толщина пограничного слоя.