Механизм передачи тепла конвекцией

Понятие конвективного теплообмена - второго вида теплообмена - свя­зано с процессом теплообмена при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопровод­ностью. Под к о н в е к ц и е й понимают перенос теплоты при перемещении макрообъектов жидкости или газа в пространстве из области с одной темпера­турой в область с другой температурой. Конвекция возможна только в теку­чей среде, в которой перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Различают к о н в е к ц и ю в ы н у ж д е н н у ю, когда движение жид­кости создается искусственно, например, под действием насоса или вентиля­тора  и

с в о б о д н у ю, когда движение возникает вследствие разности плот­ностей нагретых и холодных частиц жидкости.

Конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и по­верхностью соприкасающегося с ним тела называется к о н в е к т и в н о й т е п л о о т д а ч е й или просто теплоотдачей.

Закон Ньютона - Рихмана

При изучении теплоотдачи за основу принимают з а к о н о м е р н о с т ь, предложенную Ньютоном-Рихманом, согласно которой количество тепла, отданное телом с поверхности F, имеющей температуру t_с, в окру­жающую среду с температурой t_ж  можно представить формулой:

,  Вт ;                                    (3.1)

где Q - тепловой поток, Вт;

|t _с - t_ж|– разность температур между стенкой и жидкостью по модулю °С;

t_ж - температура окружающей среды (жидкости или газа), °С;

t_с- температура поверхности стенки, °С;

α - коэффициент  теп­лоотдачи, Вт/м² К

F – площадь теплоотдающей (тепловоспринимающей) поверхности), м² ;

для удельного теплового потока запишется 

q = α  | t _с - t_ж |                                     (3.2)

Коэффициент теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи α- характеризует интенсивность теплообмена, численно равен  

α = q/ | t _с - t_ж |, Вт/м ² К ,                         (3.3)

В большинстве случаев находится опытным путем.

Примерные значения коэффициентов теплоотдачи для различных усло­вий теплопереноса приведены в табл. 3.1.

Таблица №3.1 

Примерные значения коэффициентов теплоотдачи

Характер движения жидкости оказывает существенное влияние на про­цесс конвективного теплообмена.

Различают два основных режима течения: ламинарный и турбулентный.

При л а м и н а р н о м д в и ж е н и и (латинское "lamina''-полоска) все частицы движутся только по параллельным между собой траекториям и дви­жение их совпадает с направлением всего потока. Ламинарное движение на­блюдается обычно при малых скоростях.

При т у р б у л е н т н о м д в и ж е н и и (латинское "turbulentus"- бур­ный, беспорядочный) в потоке возникают пульсации, происходит перемеши­вание всех слоев жидкости, и частицы жидкости совершают неупорядочен­ные, хаотические движения.

Коэффициент теплоотдачи α зависит от ряда факторов:

1) От теплофизических свойств (параметров) жидкости  

α = f (ρ λ μ с _р )                                      (3.4)

где ρ λ μ с _{р .} соответственно плотность, теплопроводность, вязкость, изобарная теплоемкость  жидкости.

2) От геометрических размеров и формы теплоотдающей или тепловоспринимающей поверхности 

α = f (Ф,l)                                     (3.5)

3) От режима движения жидкости

α = f (ω)                                       (3.6)

Теория подобия

В настоящее время тепловые задачи в движущихся средах решаются как численными методами (с использованием быстродействующих ЭВМ), так и экспериментальными методами. Из-за большого числа переменных, влияю­щих на процесс конвективного теплообмена, решения этих задач отличаются большой трудоемкостью.

Обобщение данных, полученных в результате ре­шения отдельных конкретных задач, с тем, чтобы использовать их при реше­нии широкого класса подобных задач, помогает решить теория подобия.

Тео­рия подобия по существу является теорией моделирования и эксперимента. С помощью теории подобия размерные физические величины можно объеди­нить в безразмерные комплексы.

Теория подобия определяет также условия, при которых результаты экс­периментальных исследований можно распространить на другие подобные явления. Безразмерные комплексы могут быть получены из дифференциальных уравнений, описывающих физический процесс.

В тех случаях, когда дифференциальные уравнения процесса неизвестны, для определения без­размерных комплексов используют теорию размерностей.

Эти комплексы называют числами или критериями подобия. Числа подо­бия принято называть именами крупных ученых, известных своими работами в области теплообмена и гидродинамики.

Число Нуссельта (по имени немецкого физика Нуссельта) или безраз­мерный коэффициент теплоотдачи характеризует теплообмен на границе стенка-жидкость:

 ,                                       ( 3.7)

где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/м^2.К,

ℓ - характерный геометрический размер, в направлении которого происходит

λ - коэффициент теплопроводности подвижной среды, Вт/м К,

 Число Нуссельта содержит искомую величину - коэффициент теплоот­дачи α.

Число Рейнольдса (по имени английского физика Рейнольдса) характе­ризует соотношение сил инерции и сил вязкости и является критерием гидродинамического подобия, определяющим гидродинамический режим движения среды.

,                                        (3.8) 

где  ω - скорость среды, м/с;

 ℓ - линейный характерный размер, м;

  ν - кинематическая вязкость, м²/с.

Число Пекле  характеризует соотношение тепла, переносимого конвекцией и теплопроводностью.

Число Грасгофа  характеризует подъемную силу, возникающую в жидкости вследствие разности плотностей:

                                   (3.9)

где g - ускорение свободно падающего тела, равное 9,81 м/с²;

β -  коэффициент объемного расширения среды, 1/Κ ;

 - разность температур жидкости  у поверхности тела и вдали от него, °С;

ℓ- линейный характерный размер, высота или диаметр, м.

Число Прандтля целиком составлено из физических параметров, а поэто­му и само является физическим параметром:

,                                   (3.10)

где ν - коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

α - коэффициент температуропроводности, м²/с;

Основным определяемым числом в задаче конвективного теплообмена является число Нуссельта. По известной величине числа Nu определяют ве­личину коэффициента теплоотдачи а .