Основные положении конвективного теплообмена

Теплообмен

 Если тело А передало каким-либо образом телу В некоторое количество тепла Q, то говорят, что между этими телами произошел теплообмен.

1 Конвекция

Различают свободную и вынужденную конвекцию. Конвекция, создаваемая принудительным способом (мешалкой, вентилятором) называется вынужденной.

Если же движение элементов объема среды вызвано наличием в ней разносных температур, а следовательно разных плотностей, то такая конвекция называется свободной или естественной.

Если жидкость или газ вступают в контакт с поверхностью твердого тела, имеющим другую температуру, процесс обмена тепловой энергией называется теплоотдачей.

1) Конвекция в жидкости и газах

В жидкостях наряду с теплопроводность тепло может распространяться и благодаря перемешиванию нагретых и не нагретых слоев жидкости, при котором и происходит перенос тепла. Такой вид   распространения  тепла называется распространением тепла конвекцией или просто конвекцией. Очевидно, что в твердых телах не может идти речь о переносе тепла этим способом.

Распространение тепла конвекцией связано, таким образом, с движением самой жидкости, части которой, переходя в область с другой температурой, обмениваются теплом с соседними частями.

Следует иметь в виду, что тепло в жидкостях может передаваться и исключительно теплопроводностью. Так, если нагрев неподвижной жидкости, находящейся в сосуде, производить сверху, то никакой конвекции не происходит, и тепло будет передаваться лишь молекулярным процессом, т.е. теплопроводностью. Однако количество тепла, передаваемое теплопроводностью, при наличии конвекции в большинстве случаев играет относительно малую роль

При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление.

Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку).

Данное явление называется конвекцией.

Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха.

Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха.

2) Теплопередача между стенкой и теплоносителем путем конвекцией

Под теплопередачей понимают передачу теплоты от текучей среды с большей температурой (горячего теплоносителя) к текучей среде с меньшей температурой (холодному теплоносителю) через непроницаемую стенку любой формы. Поэтому теплопередача включает в себя:

-  теплоотдачу от горячего теплоносителя к стенке,

- теплопроводность внутри стенки и

- теплоотдачу от стенки к нагреваемому теплоносителю

Теплоотдача между стенкой и теплоносителем в общем случае может происходить путём конвективного теплообмена и излучения.

 Схема изменения температуры среды при конвективном теплообмене

Интенсивность передачи теплоты при теплопередаче характеризуется коэффициентом теплопередачи k, численно равным количеству теплоты, которое передаётся через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между жидкостями в 1 К; размерность k — вт/(м².К) [ккал/м².°С)].

Величина R, обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением.

Например, R однослойной стенки 

где α₁ и α₂ — коэффициенты теплоотдачи от горячей жидкости к поверхности стенки и от поверхности стенки к холодной жидкости; 

δ — толщина стенки; 

λ— коэффициент теплопроводности.

2) Основной закон теплоотдачи - Формула Ньютона-Рихмана

Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит

- от начальной скорости движения молекул,

- плотности,

- вязкости,

- теплопроводности и теплоемкости и среды;

- очень важны также размер и форма нагревателя.

Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона

Q= α_k F (T_ист – T_среды),

α_k – коэффициент теплоотдачи

Q – тепловой поток (измеряемый в ваттах),

F – площадь поверхности источника тепла (в м²), 

T_ист и T_среды – температуры источника и его окружения (в кельвинах).

Коэффициент теплоотдачи зависит от свойств среды, начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в единицах Вт/(м²хК).

Величина α_k неодинакова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в воздушном потоке (вынужденная конвекция).

В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается.

Турбулентность – это сложное движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих молекулярные. Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой. Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса.

Конвекцию необходимо учитывать при проектировании теплообменников, систем кондиционирования воздуха, высокоскоростных летательных аппаратов и многих других устройств. Во всех подобных системах одновременно с конвекцией имеет место теплопроводность, причем как между твердыми телами, так и в окружающей их среде. При повышенных температурах существенную роль может играть и лучистый теплообмен.

3) Факторы, влияющие на интенсивность конвективного теплообмена.

Физические свойства жидкостей.

В качестве жидких и газообразных теплоносителей в технике при­меняют различные вещества: воздух, воду, газы, масло, нефть, спирт, ртуть, расплавленные металлы и многие другие. В зависимости от физических свойств этих веществ процессы теплоотдачи протекают, раз­лично.

Большое влияние на теплообмен оказывают следующие физические параметры:

- коэффициент теплопроводности λ,

- удельная теплоемкость с,

- плотность ρ,

коэффициент температуропроводности а и

коэффициент динамической вязкости m (или коэффициент кинематической вязкости n = m/r). 

Эти параметры для каждого вещества имеют определенные значения и являются функцией температуры, а некото­рые из них и давления.

Режимы течения и пограничный слой.

Теоретическое рассмотрение задач конвективного теплообмена основывается на использовании теории пограничного слоя, данной Л. Прандтлем.

Рассмотрим процесс продольного омывания какого-либо тела безграничным потоком жидкости с постоянной скоростью течения w.

Вследствие влияния сил трения в непосредственной близости от поверхности тела скорость течения должна очень быстро падать до нуля. Тонкий слой жидкости вблизи поверхности тела, в котором происходит изменение скорости жидкости от значения скорости невозмущенного потока вдали от стенки до нуля непосредственно на стенке, называется динамическим пограничным слоем. Толщина этого слоя δ возрастает вдоль по потоку.

С увеличением скорости потока толщина динамического пограничного слоя уменьшается вследствие сдувания его потоком. Напротив, с увеличением вязкости толщина динамического слоя увеличивается.

Течение в динамическом пограничном слое может быть как турбулентным, так и ламинарным (см. рисунок).

Необходимо отметить, что в случае турбулентного динамического пограничного слоя непосредственно у стенки имеется очень тонкий слой жидкости, движение в котором имеет ламинарный характер. Этот слой называют вязким или ламинарным подслоем.

Если температуры стенки и жидкости неодинаковы, то вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой, в котором происходит все изменение температуры жидкости.

Вне пограничного слоя температура жидкости постоянна t₀. В общем случае толщины тепло­вого и динамического слоев могут не совпадать. Соотноше­ние толщин динамического и теплового пограничных слоев опреде­ляется величиной безразмерного числа Pr = n/a. 

Для вязких жидкостей с низкой теплопроводностью (например, масел) Рг > 1 и толщина динамического пограничного слоя больше толщины теплового пограничного слоя.

Для газов Рг » 1 и толщины слоев приблизительно одинаковы.

Для жидких металлов Рг < 1 и тепловой пограничный слой проникает в область динамического невозмущенного потока.

Механизм и интенсивность переноса теплоты зависят от характера движения жидкости в пограничном слое.

Если движение внутри теплового пограничного слоя ламинарное, то теплота в направлении, перпендикулярном к стенке, переносится теплопроводностью. Однако у внешней границы слоя, где температура по нормали к стенке меняете незначительно, преобладает перенос теплоты конвекцией вдоль стенки.^-

При турбулентном течении в тепловом пограничном слое перенос теплоты в направлении к стенке в основном обусловлен турбулентным перемешиванием жидкости. Интенсивность такого переноса теплоты существенно выше интенсивности переноса теплоты теплопроводностью. Однако непосредственно у стенки, в ламинарном подслое, перенос теплоты к стенке осуществляется обычной теплопроводностью.

Изменение физических свойств жидкости в пограничном слое зависит от температуры, в связи с чем интенсивность теплообмена между жидкостью и стенкой оказывается различной в условиях нагревания и охлаждения жидкости. Так, например, для капельных жидкостей интенсивность теплообмена при нагревании будет большей, чем при охлаждении, вследствие уменьшения пограничного слоя. Следовательно, теплоотдача зависит от направления теплового потока.

Очень большое значение для теплообмена имеют форма и размер поверхностей; в зависимости от них может резко меняться характер движения жидкости и толщина пограничного слоя.

Для каждого конкретного случая выведены свои соотношения между α_к –коэффициентом теплоотдачи и параметрами процессов движения и теплообмена, которые облечены в обобщенную критериальную форму для данной системы.

Для вынужденного турбулентного движения среды основными критериями теплообмена являются числа подобия Нуссельта Nu и Прандтля Рr, а критерием движения - число подобия Рейнольдса Re.

Эти числа подобия могут быть выражены следующим образом:

где L - размер тела, м;

 λ_г - коэффициент теплопроводности газовой среды Вт/(м*К);

ν_г - коэффициент кинематической вязкости, м² /с;

 а_г - коэффициент температуропроводности газовой среды, м² /с;

w_г - скорость газовой среды, м/с.

Указанные числа подобия входят в критериальные уравнения, описывающие конвективный теплообмен в той или иной геометрическое системе.

Домашнее задание

Контрольные вопросы

1. Назовите основные виды теплообмена.

2. Что называется теплопроводностью?

3. Что называется конвекцией?

4. Что такое конвективный теплообмен или теплоотдача?

5. Как рассчитать коэффициент конвективного переноса

6. Перечислите факторы, влияющие на интенсивность конвективного теплообмена