Теплоотдача при свободном движении жидкости в ограниченном пространстве

В ограниченном пространстве процессы нагрева и охлаждения жидкости протекают вблизи друг от друга. если, например, для

вертикальной щели (рис. а) толщина достаточно велика, то развитие свободной конвекции происходит так же, как в большом объеме.

В узкой щели (рис., б) восходящий и нисходящий потоки движутся с взаимными помехами, поэтому образуются циркуляционные токи, высота которых h зависит от толщины , природы жидкости и разности температур ().

В горизонтальных щелях конвекция определяется, кроме перечисленных факторов, взаимным расположением нагретой и холодной поверхности. Если нагретая поверхность (рис., а), имеющая температуру , расположена над холодной, температура которой , то верхние слои жидкости будут иметь более высокую температуру, а следовательно, меньшую плотность, чем нижние. Такое состояние является устойчивым, и свободная конвекция отсутствует.

При расположении холодной поверхности над горячей температура верхних слоев жидкости будет меньше, чем нижних. Такое состояние неустойчиво, и при 1700 возникает свободная конвекция, имеющая вначале упорядоченный (рис., б), а затем, при 47000, хаотический (турбулентный) характер.

В горизонтальных цилиндрических прослойках свободная конвекция также зависит от взаимного расположения горячей и холодной поверхностей. Если горячей будет внутренняя поверхность (рис., а), то

жидкость, лежащая под ней, не будет участвовать в свободном движении по той же причине, что и на рис., а. В остальной части пространства

вдоль горячей поверхности движение будет восходящим и нисходящим –вдоль холодной поверхности. Если наружная поверхность является горячей, то будет отсутствовать конвекция над холодной поверхностью. В остальной части объема возникают циркуляционные токи, как показано на рис., б. Ввиду сложности процесса для определения теплового потока через жидкостные прослойки пользуются следующим приемом. Он состоит в том, что сложный процесс конвективного теплообмена заменяют эквивалентным процессом теплопроводности, характеризуемым коэффициентом , и расчет ведется по формулам теплопроводности плоской стенки (для плоской щели)

, ,

или цилиндрической стенки (для цилиндрической прослойки)

, ,

где .

учитывает влияние свободной конвекции на перенос теплоты через жидкостные прослойки и называется коэффициентом конвекции.

. Вид функции установлен экспериментально и определяется следующими формулами:

• при < 10³ свободная конвекция отсутствует и 1;

• при 10³…10⁶ ;

• при 10⁶…10¹⁰ .

Во всех случаях независимо от формы прослойки в качестве определяющего геометрического размера принята толщина прослойки , а в качестве определяющей температуры – .

Лекция 12. Раздел 6. Теплообмен при фазовых превращениях