Конвективный теплообмен в свободном потоке жидкости

Естественная конвекция, или конвективный теплообмен, в сво­бодном потоке возникает в связи с изменением плотности жидкости от нагревания. Естественная конвекция имеет место у нагретых стен печей, трубопроводов, у батарей центрального отопления, в холодильниках при охлаждении продук­тов и др. Этот вид теплообмена играет большую роль, как в промышленности, так и в быту.

Свободный, или естественный, теплооб­мен возникает в неравномерно нагретом газе или жидкости, находящихся, как в ограниченном, так и в неограниченном пространстве. Если тело имеет более вы­сокую температуру, чем окружающая его жидкость, то слои жидкости, нагреваясь от тела, становятся легче и под действием возникающей подъемной силы поднимают­ся вверх, а на их место поступают из ок­ружающего пространства более холодные слои. Поэтому и возникает естественная конвекция.

Рассмотрим свободный теплообмен в неограниченном пространст­ве у вертикальной плиты или трубы. Характерная картина свобод­ного движения показана на рис. 5.5.

l l

Турбулентный поток

Локонообразный

поток

Участок

ламинарного движения

Рис. 5.5

У нижней части трубы в поднимающейся с небольшой скоростью жидкости наблюдается ламинарное движение с постепенно увели­чивающейся толщиной ламинарного слоя. На некотором расстоянии от нижнего конца трубы по ее высоте ламинарный слой начинает разрушаться, возникает локонообразное движение жидкости, которое постепенно усиливается и переходит в развитое турбулент­ное движение с ламинарным подслоем в непосредственной близо­сти к поверхности трубы. В соответствии с изменением толщины пограничного слоя и характера движения жидкости у поверхно­сти изменяется и коэффициент теплоотдачи. По мере увеличения ла­минарного слоя, считая от нижнего конца трубы, коэффициент теплоотдачи, уменьшается. Минимального значения коэффициент теплоотдачи достигает там, где толщина ламинарного слоя достигает максимума. В области локонообразного движения коэффи­циент теплоотдачи постепенно возрастает и принимает наибольшее постоянное значение в области развитого турбулентного движе­ния жидкости.

Характер движения жидкости и границы ламинарного и турбу­лентного режима в основном зависят от температурного напора . При малых значениях температурного напора вдоль всей поверхности будет преобладать ламинарное движение жидкости. При больших температурных напорах, будет преобла­дать турбулентный режим движения. В развитии естественной кон­векции форма тела играет второстепенную роль. Основное значение для свободного потока имеет длина поверхности, вдоль которой происходит теплообмен.

Около горизонтальных нагретых поверхностей движение жид­кости имеет особый характер и зависит от положения и размеров плиты (по этому вопросу см. специальную литературу).

Многочисленные исследования по теплоотдаче в свободном по­токе жидкости были проведены с горизонтальными и вертикальными проволоками, трубами, плитами и шарами. Опыты проводились с воздухом, водородом, углекислотой, водой, маслом и различными органическими жидкостями. В результате обобщения опытных дан­ных были получены эмпирические формулы критериального вида, которые дают возможность получить средние значения коэффициен­та теплоотдачи.

Для горизонтальных труб диаметром d при рекомендуется уравнение

. (5.24)

Для вертикальных труб и плит следует пользоваться формулами:

– при ламинарном режиме и

; (5.25)

– при турбулентном режиме и

. (5.26)

Для газов , поэтому из формул это соотношение исключается.

В этих уравнениях за определяющую температуру принята тем­пература окружающей среды, за определяющий линейный размер для горизонтальных труб – диаметр, а для вертикальных поверх­ностей – их высота.

Формула (5.24) применима и для расчета горизонтальных плит. При этом если нагретая поверхность обращена кверху, то коэф­фициент теплоотдачи, вычисленный по формуле (5.24), увеличивается на 30%. Если поверхность обращена книзу, то коэффициент теп­лоотдачи уменьшается на 30%. За определяющий размер в этих случаях берется меньшая сторона плиты.

Теплоотдача в ограниченном пространстве при свободном дви­жении жидкости представляет собой более сложный процесс, и ко­личественные законы будут другими. Приближенные расчеты для важнейших случаев приводятся в специальной литературе.

Вопросы для самоконтроля к разделу 5

1. Что такое средняя температура жидкости?

2. Как определяется средняя температура жидкости?

3. Как определяется средняя скорость жидкости?

4. Как определяется эквивалентный диаметр для каналов не­круглого сечения?

5. До какого значения критерия Рейнольдса поток жидкости бу­дет иметь

ламинарный характер?

6. Как влияет естественная конвекция на теплоотдачу при лами­нарном движении

жидкости?

7. Какие критериальные уравнения рекомендуют при ламинар­ном движении

жидкости?

8. Какие критериальные уравнения рекомендуют при турбулент­ном движении

жидкости?

9. Какие критериальные уравнения следует применять при движении жидкости

вдоль пластины?

10. Чем отличается процесс теплоотдачи для одиночной трубы при поперечном

движении жидкости?

11. Какие критериальные уравнения рекомендуют для одиноч­ной трубы при

поперечном движении жидкости?

12. Какие пучки труб применяют в технике?

13. Описать подробно характер смывания пучков труб при по­перечном движении

жидкости.

14. Какие критериальные уравнения применяют для пучков труб при поперечном

движении жидкости?

15. Как определяют средний коэффициент теплоотдачи для пучка труб?

16. Описать механизм возникновения свободного потока жид­кости.

17. Описать характерную картину свободного движения жид­кости у вертикальной

стенки.

18. Какими критериальными уравнениями определяют тепло­отдачу при

свободном движении жидкости?