2015-06-24
2063
Конвекция состоит в том, что перенос теплоты осуществляется перемещающимися в пространстве объемами жидкости (газа). Перенос теплоты конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движется вся масса среды. Конвективный теплоперенос имеет высокое значение в пищевой технологии, поскольку от того, как осуществляется подвод или отвод теплоты, зачастую зависит эффективность проведения технологических процессов (например, нагревание, охлаждение, сушка и др.). В реальных условиях передача теплоты конвекцией всегда связана с теплопроводностью. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом (конвективной теплоотдачей).
Различают теплоотдачу, также как и конвекцию, естественную (свободную), обусловленную разностью плотностей в различных точках объема среды из-за разности температур в этих точках, и вынужденную (движение жидкости происходит вследствие затраты на этот процесс энергии извне – с помощью насоса, мешалки и т. п.).
Механизм переноса теплоты в ядре потока при турбулентном движении среды характеризуется интенсивным перемешиванием за счет турбулентных пульсаций, которое приводит к выравниванию температур в ядре до некоторого среднего значения t ж. Соответственно перенос теплоты в ядре определяется, прежде всего, характером движения теплоносителя, а также зависит от его тепловых свойств. По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи снижается вследствие образования вблизи стенки теплового пограничного слоя, толщина которого обычно не совпадает с толщиной гидродинамического пограничного слоя.
Если за пределами внешней границы теплового пограничного слоя преобладающее влияние на теплообмен оказывает турбулентный перенос, то в самом слое, по мере приближения к стенке, все большее значение приобретает теплопроводность, а в непосредственной близости от стенки (в весьма тонком тепловом подслое) перенос теплоты по нормали и стенке осуществляется только теплопроводностью.
Тепловым пограничным подслоем считается пристенный слой, в котором влияние турбулентных пульсаций на перенос теплоты становится пренебрежимо малым. Подобно тому, как при возрастании вязкости жидкости увеличивается толщина гидродинамического пограничного подслоя, возрастание теплопроводности приводит к утолщению теплового пограничного подслоя, в котором интенсивность переноса теплоты определяется коэффициентом температуропроводности а (м2/с).
Теплопроводность и конвекция – разные физические процессы. Теплопроводность – явление молекулярное, конвекция – явление макроскопическое, при котором в переносе теплоты участвуют целые слои теплоносителя с разными температурами.
Принято расчет скорости процесса теплоотдачи выполнять с помощью закона Ньютона или уравнения теплоотдачи:
, (13)
Согласно этому уравнению, количество теплоты dQ, отдаваемое за время dτ поверхностью стенки dF, имеющей температуру t ст, жидкости с температурой t ж, прямо пропорционально и разности температур (t ст – t ж).
Применительно к площади поверхности теплообмена всего аппарата F для непрерывного процесса теплоотдачи уравнение (13) принимает вид
, (14)
В этих уравнениях 
– коэффициент теплоотдачи.
Его единица измерения
.
Следовательно, коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается от 1 м2 площади поверхности стенки к жидкости (или от жидкости к 1 м2 площади поверхности стенки) в единицу времени при разности температур между стенкой и жидкостью 1 град.
В отличие от коэффициента теплопередачи К коэффициент теплоотдачи характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе. Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов: режима движения и физических свойств теплоносителя (плотности, вязкости); тепловых свойств жидкости (теплоемкости, теплопроводности и коэффициента объемного расширения); геометрических параметров каналов (диаметра и длины); состояния поверхности стенок, омываемых теплоносителями (шероховатая, полированная и т. п.). Таким образом, коэффициент теплоотдачи является функцией многих переменных.
С помощь теории подобия можно получить обобщенные (критериальные) уравнения для типовых случаев теплоотдачи. Они позволяют рассчитать коэффициент α для конкретных условий процесса. Исходной зависимостью для обобщения опытных данных по теплоотдаче является общий закон распределения температур в жидкости, выражаемый дифференциальным уравнением конвективного теплообмена.
