Конвективный теплообмен (теплоотдача)

Общие положения. Конвективный теплообмен представляет собой сложный процесс, при котором теплота передается за счет перемещения объемов жидкости (газа) и одновременно за счет теплопроводности между неравномерно нагретыми частицами жидкости. Причиной конвективного теплообмена является неравномерность температурного поля внутри жидкой или газообразной среды (теплоносителя). Математический анализ конвективного теплообмена чрезвычайно сложен [1, 2].

Теплоотдача, характеризующая конвективный теплообмен между потоком
движущейся жидкости (газа) и поверхностью омываемого ею тела, участвует в
работе энергетического оборудования и определяет его эффективность.

Закон Ньютона

Практические расчеты теплоотдачи основываются на законе Ньютона-
Рихмана, полученном на основании обобщения опытных данных. Согласно этому
закону полный тепловой поток Q,Вт, отдаваемый в процессе теплоотдачи, пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур поверхности тела t_c и омывающей ее среды t_ж (температурному напору):

, (1.26)

где α - коэффициент теплоотдачи, характеризующий интенсивность процесса теплообмена. Размерность α - Вт/(), т. е. это - количество теплоты, которое в единицу времени отдается единицей поверхности тела при разности температур поверхности тела и омывающей среды в один градус.

Разность температур в соотношении (1.26) берут по абсолютной величине с учетом, что теплота распространяется самопроизвольно в сторону убывания температуры.

Величина коэффициента теплоотдачи α сложным образом зависит от многих факторов: природы и режима движения, теплофизических свойств жидкости, температуры, формы и размеров поверхности теплообмена, ее положения в пространстве и др.

По природе возникновения различают свободное (естественное) и вынужденное движение жидкости. Вынужденное движение создается внешними источниками (насосом, вентилятором и др.); свободное движение возникает за счет разности плотностей нагретых и холодных слоев жидкости, т. е. под действием архимедовых сил.

Режим движения жидкости имеет решающее значение в процессах теплоотдачи, так как определяет физический механизм переноса теплоты. Различают два характерных режима движения - ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме частицы жидкости движутся по упорядоченным траекториям, вид которых определяется формой границ тела. Перенос теплоты осуществляется за счет соприкосновения частиц и слоев жидкости, т. е. за счет ее теплопроводности. В турбулентном режиме частицы жидкости движутся беспорядочно, по случайным траекториям, быстро меняющимся во времени, перенос теплоты происходит в основном за счет интенсивного перемещения частиц жидкости, т. е. за счет конвекции.

Из курса гидрогазодинамики известно, что течение вязкой жидкости вдоль обтекаемой поверхности может быть ламинарным или турбулентным. Заторможенный слой у твердой поверхности называется пограничным. Внутри ламинарного слоя теплота переносится вследствие хаотического движения молекул, т. е. теплопроводностью жидкости. В турбулентном пограничном слое поперек него перемещаются и переносят теплоту крупные частицы жидкости, интенсивность теплообмена возрастает.

Из многообразия физических свойств жидкости наибольшее влияние на процесс теплоотдачи оказывают следующие параметры: плотность ρ_ж, кинематическая вязкость ν_ж, коэффициент теплопроводности λ_ж, температуропроводность а_ж, теплоемкость с_ж. Кроме того, коэффициент теплоотдачи зависит от скорости течения, от геометрических размеров, формы и положения тела.

Задача расчета конвективного теплообмена - определение коэффициента
теплоотдачи α.

1.2.2.2. Основы теории подобия

Величина α зависит от рядафакторов, влияющих на сам процесс теплообмена. К ним относятся скорость движения жидкости, физические свойства теплоносителя, гидродинамические характеристики потока, геометрическая форма и размеры поверхности теплообмена и др.:

При изучении конвективного теплообмена большую помощь оказывает теория подобия, на основе которой были установлены группы подобных явлений и обобщенные переменные - числа (критерии) подобия, характеризующие данную группу явлений. Эти числа подобия составляются из различных физических параметров, и они безразмерны.

В случае конвективного теплообмена наиболее часто используются следующие числа подобия:

▪ число Нуссельта, определяющее интенсивность теплообмена:

;

▪ число Прандтля, характеризующее физические свойства жидкости:

;

▪ число Грасгофа характеризует интенсивность свободного движения:

;

▪ число Рейнольдса характеризует гидродинамический режим движения потока жидкости:

.

В эти выражения входят следующие величины:

– коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м²·К);

l – определяющий размер тела, м;

– теплопроводность жидкости, Вт/(м²·К);

– кинематическая вязкость жидкости, м²/с;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

а – коэффициент температуропроводности жидкости, м²/с;

– температурный коэффициент объемного расширения, 1/К (для газов , для жидкостей значения берутся из справочной литературы);

w – скорость потока жидкости, м/с.

В зависимости от геометрической формы поверхности теплообмена в качестве определяющего размера l выбирают следующие параметры:

• для труб и шаров определяющим линейным размером является
диаметр d;

• для вертикальных труб большого диаметра и пластин - высота Н;

для горизонтальных плит – наименьший размер плиты(если греющая сторона плиты обращена вверх, то значение коэффициента α необходимо увеличить на 30 % по сравнению с приведенным, если греющая сторона обращена вниз, то значение следует уменьшить на 30 %).

Так как входящие в числа подобия физические величины зависят от температуры, значения этих чисел рассчитываются при температуре, называемой далее определяющей.

Классификация задач по условиям конвективного теплообмена позволила выделить два основных вида конвективного теплообмена:

▪ теплообмен без изменения агрегатного состояния (вынужденная конвекция и свободная конвекция) жидкости;

▪ теплообмен при изменении агрегатного состояния(кипение и конденсация) жидкости.

В свою очередь, каждый из этих видов конвективного теплообмена (кипение, конденсация, вынужденная и свободная конвекции) имеют свои разновидности.

Для примера, можно показать порядок величины, α, Вт/(м²·К) для различных условий конвективного теплообмена:

- свободная конвекция в газах	5,..., 30;
- свободная конвекция для воды	10²,..., 10³;
- вынужденная конвекция газов	10,..., 500;
- вынужденная конвекция для воды	500,..., 10⁴;
- теплообмен при изменении агрегатного состояния воды (кипение, конденсация)	10³,..., 10⁵.

В общем случае коэффициент теплоотдачи определяется как

. (1.27)

При решении задач на конвективный теплообмен критерий Нуссельта чаще всего дается в критериальной форме в виде

, (1.28)

где показатели степеней n₁, n₂, n₃ и множитель пропорциональности Абыли найдены путем обработки экспериментальных данных.