Конвективный теплообмен. Виды движения теплоносителей.

Второй вид теплообмена – конвекция – происходит только в газах и жидкостях и состоит в том, что перенос теплоты осущест­вляется перемещающимися в пространстве объемами среды. Пере­дача теплоты конвекцией всегда связана с теплопроводностью. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом.

Различают конвекцию вынужденную (движение жидкости создается искусственно) и свободную – движение возникает в связи с ее нагреванием и изменением плотности.

О. Рейнольде в 1884 г. в своих опытах установил, что при дви­жении жидкости встречаются два вида потока, подчиняющихся различным законам. В потоке первого вида все частицы движутся только по параллельным между собой траекториям и движение их длительно совпадает с направлением всего потока. Жидкость движется спокойно, без пульсаций, образуя струи, следующие очертаниям канала. Движение такого рода называется лами­нарным.

Второй тип потока называется турбулентным, в нем непрерыв­но происходит перемешивание всех слоев жидкости. Каждая части­ца потока, перемещаясь вдоль канала с некоторой скоростью, со­вершает различные движения перпендикулярно стенкам канала. В связи с этим поток представляет собой беспорядочную массу хаотически движущихся частиц. Чем больше образуется пульса­ций, завихрений, тем больше турбулентность потока. При пере­ходе ламинарного движения в турбулентное сопротивление от тре­ния в канале возрастает.

О. Рейнольде показал, что характер движения жидкости в круг­лой трубе определяется отношением , которое называется чи­слом Рейнольдса и обозначается :

(2.3.1)

где – средняя скорость жидкости, м/с;

– диаметр круглой тру­бы, м;

– кинематическая вязкость жидкости, м²/с.

Для канала произвольного сечения вводится понятие эквива­лентного диаметра , который и подставляется в вы­ражение для числа .

Подставляя единицы отдельных величин в число Re, легко убедиться, что оно является величиной безразмерной.

До значений =2000 поток жидкости в трубе остается лами­нарным, при больших значениях поток переходит в турбулентный. Ламинарный поток является устойчивым только в докритической области (до = 2000). При некоторых специальных мерах предосторожности ламинарное движение можно наблюдать при числах , значительно превышающих критическое. Однако такой режим движения является неустойчивым и при малейшем возмущении поток переходит в турбулентный.

Характер движения жидкости влияет на интенсивность передачи теплоты. При ламинарном режиме и отсутствии естественной конвекции теплота в перпендикулярном стенке направлении передается только теплопроводностью. Количество этой теплоты зависит от физических свойств жидкости, геометрических размеров, формы поверхности канала и почти не зависит от скорости.

При турбулентном движении жидкости перенос теплоты наряду с теплопроводностью осуществляется перпендикулярным поверхности канала перемещением частиц.

Физические свойства жидкостей. В качестве жидких и газообразных теплоносителей в технике применяют различные вещества: воздух, воду, газы, масло, нефть, спирт, ртуть, расплавленные металлы и многие другие. В зависимости от физических свойств этих веществ процессы теплоотдачи протекают различно.

Большое влияние на теплообмен оказывают следующие физиче­ские параметры: теплопроводность , удельная теплоемкость , плотность , температуропроводность и динамическая вязкость . Эти параметры для каждого вещества имеют определенные значения и являются функцией температуры, а некоторые из них – и давления.

Величины , , и уже рассматривались в предыдущих пара­графах. В исследованиях конвективного теплообмена большое значение имеет также вязкость. Все реальные жидкости обладают вязкостью; между частицами или слоями, движущимися с различными скоростями, всегда возникает сила внутреннего трения (касательное усилие), ускоряющая движение более медленного слоя и тормозящая движение более быстрого. Сила трения между слоями, отнесенная к единице поверхности, согласно закону Ньютона, пропорциональна градиенту скорости по нормали к направлению движения потока. Следовательно,

,

где – коэффициент пропорциональности, зависящий от природы жидкости и ее температуры и называемый динамической вязкостью (или коэффициентом внутреннего трения), Н∙с/м².

Чем больше , тем меньше текучесть жидкости. Вязкость ка­пельных жидкостей с увеличением температуры уменьшается и почти не зависит от давления. У газов с увеличением температуры и давления вязкость увеличивается. Вязкость идеальных газов не зависит от давления.

Кроме динамической вязкости в уравнениях гидродинамики и теплопередачи встречается кинематическая вязкость , представ­ляющая собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости , м²/с; и являются физическими параметрами и определяются опытным путем.

Режимы течения и пограничный слой. Теоретиче­ское рассмотрение задач конвективного теплообмена основывается на использовании теории пограничного слоя, данной Л. Прандтлем в начале нынешнего столетия (1904).

Рассмотрим процесс продольного омывания какого–либо тела безграничным потоком жидкости с постоянной скоростью течения (рис. 32.1). Вследствие влияния сил трения в непосредственной близости от поверхности тела скорость течения должна очень быстро падать до нуля. Тонкий слой жидкости вблизи поверхности

Рис. 2.3.1 Рис. 2.3.2

тела, в котором происходит изменение скорости жидкости от зна­чения скорости невозмущенного потока вдали от стенки до нуля непосредственно на стенке, называется динамическим пограничным слоем (рис. 2.3.1). Толщина этого слоя б возрастает вдоль по потоку.

С увеличением скорости потока толщина динамического погра­ничного слоя уменьшается вследствие сдувания его потоком. Напротив, с увеличением вязкости толщина динамического слоя увеличивается.

Течение в динамическом пограничном слое может быть как турбулентным 1, так и ламинарным 2 (рис. 2.3.2). Характер течения и толщина в нем ( и ) определяются в основном числом .

Необходимо отметить, что в случае турбулентного динамического пограничного слоя непосредственно у стенки имеется очень тонкий слой жидкости, движение в котором имеет ламинарный характер. Этот слой называют вязким (или ламинарным) подслоем 3.

Если температуры стенки и жидкости неодинаковы, то вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой, в котором происходит все изменение температуры жидкости (рис. 2.3.3). Вне пограничного слоя температура жидкости постоянна и равна .

Рис.2.3.3 Рис. 2.3.4

В общем случае толщины теплового и динамического слоев могут не совпадать (рис. 2.3.4). Соотношение толщин динамического и теп­лового пограничных слоев определяется безразмерным числом . Для вязких жидкостей с низкой теплопроводностью (например, масел) и толщина динамического пограничного слоя больше толщины теплового пограничного слоя. Для газов и толщины слоев приблизительно одинаковы. Для жидких металлов и тепловой пограничный слой проникает в область динамического невозмущенного потока.

Механизм и интенсивность переноса теплоты зависят от характера движения жидкости в пограничном слое. Если движение внутри теплового пограничного слоя ламинарное, то теплота в направлении, перпендикулярном стенке, переносится теплопроводностью. Однако у внешней границы слоя, где температура по нормали к стенке меняется незначительно, преобладает перенос теплоты конвекцией вдоль стенки.

При турбулентном течении в тепловом пограничном слое перенос теплоты в направлении к стенке в основном обусловлен турбулентным перемешиванием жидкости. Интенсивность такого перекоса теплоты существенно выше интенсивности переноса теплоты теплопроводностью. Однако непосредственно у стенки, в ламинар­ном подслое, перенос теплоты к стенке осуществляется обычной теплопроводностью.

Изменение физических свойств жидкости в пограничном слое зависит от температуры, в связи с чем интенсивность теплообмена между жидкостью и стенкой оказывается различной в условиях нагревания и охлаждения жидкости. Так, например, для капельных жидкостей интенсивность теплообмена при нагревании будет большей, чем при охлаждении, вследствие уменьшения пограничного слоя. Следовательно, теплоотдача зависит от направления теплового потока.

Очень большое значение для теплообмена имеют форма и размер поверхностей; в зависимости от них могут резко меняться характер движения жидкости и толщина пограничного слоя.