2015-01-30
729
Конвекцией называется процесс теплообмена между поверхностью твёрдого тела и газообразной или жидкой средой при естественном или принудительном перемещении среды.
Количество тепла, переносимого конвекцией от нагретого тела в окружающую среду при свободной конвекции у поверхности тела описывается законом Ньютона:
, где
Рк – количество тепла (мощность), переносимого в единицу времени Вт
(Дж/с);
- коэффициент теплоотдачи конвекцией (конвективного теплообмена)
[Вт/ м2К];
S – площадь теплоотводящей среды (м2);
- температура поверхности и среды [К].
Сложность расчёта Рк заключается в определении коэффициента . Этот коэффициент является сложной функцией большого числа параметров, влияющих на процесс теплообмена. Так, для естественной конвекции является функцией от девяти параметров (коэффициента объёмного расширения среды, коэффициента теплопроводности и т.д.)
На основе экспериментальных данных установлено, что на передачу тепла при естественной конвекции влияют не все девять, а только некоторые параметры. Эти параметры были выявлены и определённым образом формализованы. В результате получили безразмерные критерии. Их вывели, используя теорию подобия, отсюда их названия: критерии подобия.
- Критерий Нуссельта 
,
Он характеризует интенсивность теплообмена на границе среда-поверхность твердого тела;
- Критерий Грасгофа 
, где
- ускорение силы тяжести.
Он характеризует относительную эффективность подъёмной силы, вызывающую естественную конвекцию.
- Критерий Прандтля 
,
Он является теплофизической характеристикой теплоносителя.
Для жидких металлов 
; для газов 
;
для жидкостей 
.
В приведённых зависимостях:
L- определяющий размер конструкции, м (длина одтекания, высота
цилиндра и т.д.);
- коэффициент теплопроводности среды, Вт/ м*К;
- коэффициент объёмного расширения среды, 
;
- коэффициент кинематической вязкости среды, 
;
- коэффициент температуропроводности, м2 /К
V – скорость потока среды (жидкости или газа), м/с.
Ср- удельная теплоёмкость среды при определённом давлении,
;
Коэффициент конвективного теплообмена можно выразить из критерия Нуссельта:
;
а используя критерии подобия процесс конвективного теплообмена можно выразить с помощью критериальных уравнений.
Так, для геометрически подобных тел, у которых так же подобны температурные поля их поверхностей, критериальное уравнение запишется в следующем виде:
, где
коэффициент С и показатель степени n - эмпирические подобранные величины, а индекс m означает, что физические параметры берутся для средней температуры:
.
Для размерных произведений 
значения C и n следующие:
| № п/п |
| С | n |
< 
| 0.5 | ||
- 
| 1.18 | 1/8 | |
| 0.54 | 1/4 | |
| 0.135 | 1/3 |
Переход от одного режима к другому определяется значением числа Рейнольда:
, где
V – скорость движения среды у поверхности тела (м/с);
- кинематическая вязкость среды;
L – определяющий геометрический параметр.
Количество тепла, передаваемого конвекцией, существенно зависит от режимов движения среды. При малых скоростях движения среды у поверхности твёрдого тела – ламинарный режим, а при высоких скоростях – турбулентный.
Если 
, то это ламинарное течение, если 
-турбулентный режим.
