2014-04-09
2004
При движении жидкостей (напомним, что под жидкостью понимается любая текучая среда, например вода, воздух, жидкий металл) с неоднородным распределением температуры перенос теплоты неразрывно связан с движением самой жидкости. При перемещении какой-либо жидкости плотностью r со скоростью w происходит перенос массы 
[кг/(м2× с)]. Вместе с массой жидкости переносится и теплота 
, где h – энтальпия жидкости, Дж/кг.
Как уже говорилось во введении, в движущихся средах теплота переносится не только конвекцией, но и теплопроводностью, так как при движении неизбежно происходит столкновение отдельных молекул, имеющих различную энергию. Поэтому конвективный теплообмен – это совместный перенос теплоты внутри жидкости за счет ее движения (конвекции) и теплопроводности. Конвективный теплообмен описывается уравнением 
.
Конвективный теплообмен между жидкостью и соприкасающейся с ней поверхностью тела называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей. В инженерных расчетах определяют теплоотдачу, а знание конвективного теплообмена внутри жидкости представляет косвенный интерес, так как интенсивность переноса теплоты внутри жидкости отражается на процессе теплоотдачи.
|
|
|
Уравнение теплоотдачи. Для количественного описания процесса теплоотдачи используется уравнение Ньютона-Рихмана, которое для
элемента поверхности d F записывается в виде 
.
В интегральной форме 
, для единицы поверхности
.
Коэффициент теплоотдачи a [Вт/(м2·К)] характеризует интенсивность процесса переноса теплоты на границе твердое тело – жидкость.
Интенсивность теплообмена может быть неодинакова по поверхности тела, вследствие чего числовые значения коэффициента теплоотдачи для разных участков поверхности будут различные. Поэтому различают местный (локальный) 
и средний по поверхности тела коэффициент теплоотдачи
.
Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов: от формы тела, его размеров и ориентации в потоке жидкости; скорости жидкости и ее температуры; физических свойств жидкости и режимов ее движения; от того, нагревается или охлаждается жидкость (направления теплового потока) и т.д. Большинство из перечисленных факторов являются гидродинамическими. Поэтому предварительно рассмотрим некоторые вопросы гидродинамики, имеющие большое значение для понимания процесса теплоотдачи.
Виды движения (конвекции) жидкости. Различают вынужденную и естественную конвекцию. Движение называется вынужденным, если оно происходит за счет внешних сил, не связанных с процессом теплообмена. (например, за счет сообщения жидкости энергии насосом или вентилятором). Движение называется естественным (свободным), если оно определяется процессом теплообмена, и происходит за счет разности плотностей нагретых и холодных макрообъемов жидкости в поле сил тяжести.
|
|
|
Особенности обтекания трубы определяют характер изменения коэффициентов теплоотдачи по ее окружности. На рисунке приведены зависимости 
, где 
,
– коэффициент теплоотдачи в данной точке и средний по окружности, при отрыве ламинарного (а) и турбулентного (б) пограничных слоев. Теплоотдача в области I уменьшается за счет роста толщины пограничного слоя; область II соответствует кормовой части трубы, омываемой вихрями, вследствие чего процесс теплоотдачи несколько интенсифицируется. Области I' и I" имеют место при отрыве турбулентного пограничного слоя (рис. б) и связаны соответственно с переходом ламинарного режима движения в турбулентный и с увеличением толщины, а значит, и термического сопротивления турбулентного пограничного слоя.
Расчетные формулы. Для расчета средних по окружности коэффициентов теплоотдачи при поперечном обтекании потоком одиночных труб пользуются следующими формулами:
• при 5<
<103
;
• при 103
< 2·105
;
• при 2·105 < 107
.
.
Безразмерное число рассчитывается по скорости набегающего потока либо по скорости в самом узком сечении, если труба расположена в канале. 
– поправка на угол атаки (угол между направлением потока и осью трубы). Если угол атаки ψ = 900, то 
. При ψ = 30…900 можно использовать приближенную зависимость
.
