Теплоотдача при свободном движении жидкости

Свободное движение возникает в связи с изменением плотности жидкости в результате нагре­вания. Свободная конвекция имеет место у нагретых стен печей, трубопроводов, у батарей центрального отопления, в холодильниках при охлаждении продуктов и др. Свободный 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 среда, 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.

Рассмотрим свободный теплообмен в неограниченном пространстве у вертикальной плиты или трубы (см. рисунок).

Возникающее свободное движение жидкости у вертикальных по­верхностей может быть как ламинарным, так и турбулентным. Характер движения жидкости в основном зависит от температурного на­пора D t = t _с – t _ж,где t _с –температура поверхности; t _ж – температура неподвижной жидкости вдали от поверхности. При малых значениях температурного напора вдоль всей поверхности наблюдается ламинарное движение жидкости. При больших температурных напорах преобладает турбулентный режим движения. В развитии свободного движения форма тела играет второстепенную роль. Основ­ное значение для свободного движения жидкости имеет длина поверх­ности, вдоль которой происходит теплообмен.

У нижней части стенки в поднимающейся с небольшой скоростью жидкости наблюдается ламинарное движение с постепенно увеличивающейся толщиной ламинарного пограничного слоя. На некотором расстоянии от нижнего конца стенки по ее высоте ламинарный пограничный слой начинает разрушаться, возникает локонообразное движение, 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 пограничного слоя a уменьшается. В области локонообразного движения коэффициент теплоотдачи постепенно возрастает и прини­мает наибольшее постоянное значение в области развитого турбулент­ного движения жидкости. На рисунке показана зависимость a от высоты стенки.

Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при свобод­ном движении жидкости вдоль вертикальных стенок можно использовать следующие уравнения:

ламинарный режим – 10³ <(Gr·Pr) _ж < 10⁹:

Nu _{ж, l} = 0,75·(Gr _{ж, l} ·Pr _ж)^0,25×e _t;

турбулентный режим – (Gr·Pr) _ж > 10⁹:

Nu _{ж, l} = 0,15·(Gr _{ж, l} ·Pr _ж)^0,33×e _t.

В этих формулах за определяющую температуру принята темпера­тура жидкости вдали от нагретой поверхности, за определяющий раз­мер – длина поверхности, отсчитываемая от начала теплообмена.

На рисунке показан характер свободного движения жидкости около горизонтальных труб различных диаметров. У труб малого диаметра восходящий поток сохраняет ламинарный режим да­же вдали от трубы. При большом диаметре переход в турбулентный режим может происходить в пределах поверхности самой трубы.

Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при свобод­ном ламинарном движении жидкости около горизонтальных труб можно использовать формулу

­ Nu _{ж d} = 0,5·(Gr _{ж, d} ·Pr _ж)^0,25×e _t.

В этой формуле за определяющую температуру принята темпера­тура жидкости вдали от трубы, за определяющий раз­мер – диаметр трубы.