Конвективный теплообмен

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.