Физические основы теплообмена конвекцией
Выше отмечалось, что конвективный теплообмен происходит при движении жидкости или газа, движущиеся частицы которых и являются теплоносителями. Каждая такая частица, соприкоснувшись с тепловоспринимающей поверхностью, в момент контакта передает определенное количество тепла и, не останавливаясь, движется дальше. На ее место подходит другая, не остывшая частица, которая также отдает часть своего тепла и следует дальше, и т. д.
Когда нет движения и частицы жидкости или газа не выполняют роль движущихся теплоносителей, тогда нет и теплопередачи конвекцией. В подобных случаях тепло передается (в отсутствие теплового излучения) исключительно теплопроводностью.
Вместе с тем следует отметить, что при конвективном теплообмене при движении среды всегда происходит передача тепла теплопроводностью. В зависимости от свойства среды и условий движения доли тепла, передаваемого конвекцией и теплопроводностью, в общем процессе теплообмена будут различны.
Таким образом, теплопередача конвекцией — это очень сложный процесс, зависящий от большого числа факторов, таких, как условия движения жидкости или газа, их теплопроводности, формы поверхности нагрева и др.
На теплопередачу конвекцией сильно влияет природа возникновения движения, иначе говоря, силы, вызывающие движение. Эти силы могут зарождаться в самой среде, а могут быть приложены и извне. В первом случае наблюдаются свободное движение и свободная конвекция, во втором — вынужденное движение и вынужденная конвекция.
Свободное движение возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частей среды. В результате соприкосновения с нагретой поверхностью жидкость нагревается, температура ее по сравнению с температурой остальной массы повышается, а плотность уменьшается. Вследствие разности плотностей нагретых и более холодных частей среды возникает подъемная сила, которая создает свободное движение и вызывает конвективный теплообмен определенного вида — свободную конвекцию. Таким образом, первопричиной возникновения свободной конвекции является температурный напор DT, т. е. разность между температурой поверхности нагрева и температурой среды. Этот температурный напор и определяет коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции.
Вынужденная конвекция наблюдается при движении, вызванном внешними силами (насос, вентилятор), и зависит от ряда факторов, из которых главными являются скорость и режим движения жидкости или газа. Наряду с вынужденным движением одновременно возможно возникновение и свободного движения. В таком случае влияние свободного движения тем больше, чем меньше его скорость и выше температурный напор DT. При больших скоростях вынужденного движения значение свободной конвекции становится ничтожным.
При ламинарном движении отдельные слои между собой не перемешиваются и передача тепла в таком потоке возможна только теплопроводностью от слоя к слою. Скорость на интенсивность теплопередачи, а следовательно, на величину a практически не влияет.
При турбулентном движении, когда основная масса потока интенсивно перемешивается, определяющее значение имеет скорость движения, увеличение которой вызывает увеличение коэффициента a. При турбулентном движении около поверхности стен, ограничивающих поток, образуется тонкий слой жидкости, в котором благодаря вязкости сохраняется ламинарное движение. Этот тонкий ламинарный слой жидкости называют пограничным слоем; он оказывает решающее влияние на процесс теплообмена. Передача тепла в турбулентном потоке осуществляется в результате интенсивного перемешивания. Передача тепла в пределах пограничного ламинарного слоя происходит только теплопроводностью. Поэтому для большинства теплоносителей (газы, вода, масло и др.) интенсивность теплоотдачи в основном определяется термическим сопротивлением пограничного слоя, величина которого значительно превышает тепловое сопротивление потока. При увеличении скорости движения среды толщина пограничного слоя уменьшается, что и вызывает увеличение коэффициента теплоотдачи a.
Дата добавления: 2015-11-10; просмотров: 3663;