14.1. Виды конвекции и теплоотдачи
Свободная конвекция – перенос теплоты при естественном движении среды вследствие разности плотностей неодинаково нагретых масс.
Вынужденная конвекция – перенос теплоты при вынужденном (принудительном) движении среды под действием, например, вентилятора, насоса и других механических устройств или вследствие разности давлений.
Теплоотдача может быть как при свободной, так и при вынужденной конвекции.
При вынужденной конвекции теплоотдача существенно зависит от вида режима движения среды, который может быть ламинарным (рис.14.1,а) и турбулентным (рис.14.1,б). Режим движения характеризуется числом Рейнольдса , где n и m - коэффициенты кинемати ческой и динамической вязкости, соответственно.
При ламинарном режиме (Re£2300) среда движется параллельными слоями без перемешивания. В центре потока w=wmax по мере приближения к стенкам вследствие трения частиц скорость уменьшается, и на стенках w=0. Эпюра скоростей близка к параболической; wmax/wср =2. Перенос теплоты Рис. 14.1 поперек потока осуществляется в основном теплопроводностью, вдоль потока – конвекцией.
|
|
При турбулентном режиме (Re³104) из-за трения частиц скорость меняется от w=0 до wmax в тонком динамическом пограничном слое толщиной d. За пределами этого слоя преобладают силы инерции, трение мало влияет, и w примерно одинакова, больше wср на 15..…25%. В турбулентном пограничном слое всегда есть вязкий подслой с ламинарным Рис. 14.2 течением (рис.14.2). В пограничном слое теплота передается теплопроводностью, за его пределами – конвекцией как поперек, так и вдоль потока. Температура среды меняется в тепловом пограничном слое толщиной dт, зависящей от числа Прандтля . При Pr >1 dт < d, при Pr=1 dт»d, при Pr<1 dт>d.
В основном потоке (ядре) вследствие интенсивного перемешивания масс температура среды примерно одинакова.
Для пограничного слоя справедливо уравнение Био-Фурье
, однако определение gradt аналитически и экспериментально связано с определенными трудностями.
Уравнение Ньютона
Ньютоном установлена пропорциональность плотности теплового потока разности температур среды и тела:
,
где a, Вт/(м2К) – коэффициент теплоотдачи – количество теплоты, передаваемое от среды твердому телу (или от твердого тела среде) в единицу времени с единицы площади поверхности при температурном напоре (разности температур tf и tw) в один кельвин.
Конвективный тепловой поток равен тепловому потоку, передаваемому через пограничный слой теплопроводностью.
. (14.1)
Аналитически a определить невозможно, он определяется только экспериментально. Однако a зависит от многих факторов: формы тепла и др.).
|
|
Число экспериментов можно значительно уменьшить, применяя теорию подобия.