Конвективный теплообмен
Основные понятия и определения.
Понятие конвекции, конвективного теплообмена и конвективной теплоотдачи рассмотрено в начале части второй в разделе "Виды теплообмена". Поэтому, не повторяя приведенных там определений, отметим только, что здесь и далее мы будем рассматривать конвективную теплоотдачу.
Конвективная теплоотдача является достаточно сложным процессом, который зависит от многих факторов: от природы возникновения движения жидкости; режима движения; скорости и температуры жидкости; физических параметров жидкости; формы и размеров омываемого тела и некоторых других.
Рассмотрим названные факторы.
По природе возникновения различают два вида движения - свободное и вынужденное, и, в соответствие с этим, свободную и вынужденную конвекцию. В случае свободной конвекции жидкость или газ движутся за счет разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости, находящихся в поле земного тяготения, т.е. происходит свободное гравитационное движение, вызванное неоднородностью температурного поля. Свободную конвекцию называют также естественной конвекцией.
При вынужденной конвекции жидкость или газ движутся за счет внешних сил (например, за счет работы насоса, вентилятора, компрессора и т.д.). Вынужденное движение в общем случае может сопровождаться свободным движением. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разница температур отдельных точек жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения. При больших скоростях вынужденного движения влияние свободной конвекции становится пренебрежимо малым. Условимся, что в дальнейшем под словом жидкость мы будем понимать и каплеобразные и газообразные жидкости.
Процессы теплоотдачи неразрывно связаны с условиями движения жидкости. Как известно из курса гидравлики, имеется два основных течения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме течение имеет спокойный струйчатый характер, т.е. частицы жидкости движутся параллельно стенкам канала. При турбулентном режиме движение неупорядоченно-хаотическое, вихревое. Режим движения зависит oт скорости движения жидкости ω, ее кинематической вязкости υ и характерного (определяющего) размера канала или обтекаемого тела ℓ. Названные величины были сгруппированы. О. Рейнольдсом в безразмерный комплекс, который получил название числа Рейнольдса:
Переход ламинарного режима в турбулентный, происходит при критическом значении этого числа Reкр. Например, при движении жидкости в трубах Reкр=ω*d/υ ≈2*103. При турбулентном режиме не вся масса жидкости имеет неупорядоченный характер движения. Около ограничивающей поток стенки, вследствие действия сил вязкости, образуется тонкий слой заторможенной жидкости, в пределах которого скорость изменяется от нуля на поверхности тела до скорости невозмущенного потока. Этот слой заторможенной жидкости называют: гидродинамический пограничный слой. В пределах пограничного слоя течения может быть как ламинарным, так и турбулентным. Однако и при турбулентном пограничном слое у стенки будет тонкий ламинарный подстой.
В процессе теплоотдачи режим движения жидкости имеет очень большое значение, т.к. им определяется механизм переноса тепла. При ламинарном режиме перенос тепла в направлении нормали к стенке осуществляется теплопроводностью. При турбулентном режиме такой способ переноса тепла сохраняется лишь в пограничном слое (или подслое), а внутри турбулентного ядра перенос тепла осуществляется путем интенсивного перемешивания частиц жидкости, т.е. конвекцией.
В качестве теплоносителей используют различные вещества: воздух, воду, газ, масла, расплавленные металлы и т.д. В зависимости от физических свойств этих веществ, процессы теплоотдачи протекают различно. Большое влияние на теплоотдачу оказывают следующие физические параметры теплоносителей: коэффициент теплопроводности λ, удельная теплоемкость С, плотность ρ, коэффициент температуропроводности а, динамический коэффициент вязкости μ и кинематический коэффициент вязкости υ. Два последних коэффициента связаны соотношением:
,
Для каждого вещества эти параметра имеют определенные значения и являются функцией температуры, а некоторые из них и давления.
Форма и размеры поверхности теплообмена существенно влияют на теплоотдачу. В зависимости от них может резко меняться характер обтекания поверхности и толщина пограничного слоя.
Дата добавления: 2016-01-18; просмотров: 1108;