Лекция №10
Конвекция
Конве́кция (от лат. convectiō — «перенесение») — вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками. Существует т. н. естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.
Различают ламинарную и турбулентную конвекцию.
При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.
Коэффициент теплоотдачи при передаче тепла конвекцией определяется, с одной стороны, сопротивлением ламинарного пограничного слоя, а с другой — сопротивлением при теплообмене между основной массой теплоносителя и пограничным слоем.
Основными факторами, определяющими величину коэффициента теплоотдачи, являются следующие:
1. Характер движения теплоносителя (ламинарный или турбулентный) и его скорость. С увеличением скорости теплоносителя толщина ламинарного пограничного слоя уменьшается, вследствие чего его тепловое сопротивление понижается, а коэффициент теплоотдачи возрастает.
2. Физические свойства теплоносителя (вязкость, теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость). Как правило, коэффициент теплоо1\дачи увеличивается с понижением вязкости и повышением теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости. Так как физические свойства изменяются с температурой, то коэффициент теплоотдачи зависит от температуры теплоносителя.
3. Размеры и форма поверхности теплообмена.
4.
Все критерии подобия являются безразмерными и при вычислениях входящие в них величины можно брать в любой, но обязательно в одинаковой системе единиц. При практических расчетах мы будем пользоваться системой СИ (стр. 23). Тогда величины, входящие в критерии, приведенные в табл. 13, будут иметь следующие размерности
Уравнение передачи тепла конвекцией
При передаче тепла конвекцией у поверхности стенки, вдоль которой движется теплоноситель и через которую проходит тепло, образуется ламинарный пограничный слой. Через этот слой тепло передается путем теплопроводности, в то время как за пределами слоя, в основной массе теплоносителя, температура в каждом поперечном сечении почти постоянна (мало изменяется по мере удаления от стенки). Выравнивание температуры в основной массе происходит в результате перемешивания теплоносителя при движении отдельных его частиц. С повышением турбулентности потока перемешивание усиливается, что приводит к уменьшению толщины пограничного слоя и увеличению количества передаваемого тепла.
Закон Ньютона
Q = aF  .
|
част, то количество передаваемого тепла, согласно закону Ньютона, пропорционально поверхности стенки F, частному температурному напору част, и времени 
:
( 11 - 11 )
В этом виде уравнение передачи тепла конвекцией аналогично уравнению теплопередачи (11-8) с той лишь разницей, что в последнее входит разность температур 
между обоими теплоносителями, а в уравнение (11-11)—частный температурный напор част., равный разности температур между теплоносителем и стенкой. Величина а, входящая в уравнение (11-11), называется коэффициентом теплоотдачи; он имеет такую же размерность, как и коэффициент теплопередачи (вт/м2 ■ град)
Тепловое подобие
Для выяснения условий теплового подобия и физического смысла Критериев подобия рассмотрим, в качестве примера, нагревание теплоносителя, движущегося по трубе. Выясним условия подобия труб 1 и 2 (рис. 11-5) в отношении передачи тепла конвекцией. Предпосылкой теплового подобия является геометрическое и гидродинамическое подобие. При соблюдении этих условий отношение толщин пограничных слоев обеих труб равно отношению
Рис. 11-5. К выводу теплового подобия.
линейных размеров этих труб. Тепловое подобие заключается в том, что температуры в отдельных точках труб подобны, т. е. отношение разности температур между двумя любыми точками одной трубы к разности температур между сходственными точками другой трубы является постоянной величиной
Пусть изменение температуры по толщине пограничного слоя составляет для труб 1 и 2 соответственно 
а температурный перепад теплоносителя по длине труб 
— 
и 
- Тогда условие теплового подобия труб имеет вид
Условие геометрического н гидродинамического подобия труб 1 н 2 можно написать следующим образом
где 
— толщины пограничных слоев труб 1 и 2;
и — длины этих труб.
(В)
Отношение разности температур между двумя точками к расстоянию между этими точками называется температурным градиентом. Таким образом, 'отношение 
является температурным градиентом по толщине пограничного слоя, а отношение 
температурным градиентом по длине трубы.
На основании уравнения (В) можно сказать, что условием теплового подобия труб 1 и 2 будет равенство отношения температурного градиента по толщине 'пограничного слоя к температурному градиенту по длине трубы. Это отношение обозначено через А.
