Основы теории конвективного теплообмена

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 конвекцию свободную – движение возникает в связи с ее нагреванием и изменением плотности.

О. Рейнольдс 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, или струйчатым.

Второй вид 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. Рейнольдс показал, что характер движения жидкости в круг­лой трубе определяется величиной отношения wd/v, которое называется критерием Рейнольдса и обозначается Re:

, (4.1)

где w – средняя скорость жидкости, м/сек;

d – диаметр круглой трубы, м;

– коэффициент кинематической вязкости жидкости, м /сек.

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

Подставляя размерности отдельных величин в критерий Re, легко убедиться, что он является величиной безразмерной.

До значений Re = 2300 поток жидкости в трубе остается лами­нарным, при больших значениях Re поток переходит в турбулент­ный. Ламинарный поток является устойчивым только в докритической области (до Re = 2300). При некоторых специальных мерах предосторожности ламинарное движение можно наблюдать при числах Re, значительно превышающих критическое. Однако такой режим движения является неустойчивым и при малейшем возмуще­нии потока переходит в турбулентный.

Характер движения жидкости влияет на интенсивность передачи тепла. При ламинарном режиме и отсутствии естественной конвек­ции тепло в перпендикулярном к 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 к поверх­ности канала перемещением частиц.