Теплообмен при свободном движении жидкости

Теплообмен при свободном  движении жидкости (естественная конвекция).

Свободное движение и конвективный теплообмен в свободном потоке (естественная конвекция)  связана с  изменением плотности жидкости при  нагре­вании или охлаждении. Свободная конвекция имеет место у нагретых стен печей, трубопроводов, у батарей центрального отопления, в холодильниках при охлаждении продуктов и др. Этот вид теплообмена играет боль­шую роль  в промышленности и быту. 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. По­этому и возникает свободное движение.

Возникающее свободное движение жидкости у вертикальных по­верхностей может быть как ламинарным, так и турбулентным. Ха­рактер движения жидкости в основном зависит от температурного на­пора Δt=t_ст-t_ж, где t_ст — температура нагретой 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.

Выполнено большое количество исследований с горизонтальными и вертикальными проволоками, трубами, плитами и шарами по теплоотдаче в свободном потоке жидкости. Опыты проводились с воздухом, водородом, углекислотой, водой, маслом и различными органически­ми жидкостями. В результате обобщения опытных данных  для различных режимов течения были полу­чены соответствующие  эмпирические уравнения подобия.

При определения средних коэффициентов теплоотдачи при свобод­ном ламинарном движении жидкости вдоль вертикальных стенок рекомендуется  использовать следующие эмпирические уравнения:

при t_ст = const

 0,63 (Gr_жl, • Pr_ж)^0.25;

при q_ст = const

 0,75 (Gr_жl, • Pr_ж)^0.25 (Рr_ж /Pr_ст)^0.25

В этих зависимостях за определяющую температуру принята темпера­тура жидкости вдали от нагретой поверхности, за определяющий раз­мер — длина поверхности, отсчитываемая от начала теплообмена. Формулы получены для теплоносителей с числом Прандтля от 0,7 до 3 •10³   и  ими  следует  пользоваться   при   10³ < Gr_жl, • Pr_ж)G <10⁹..

Рекомендуемые материалы

Дляопределения средних коэффициентов теплоотдачи при свобод­ном турбулентном движении жидкости вдоль вертикальной стенки, наступающем при  Gr_жl, • Pr_ж > 6 •10¹⁰, применяется зависимость

 0,15 (Gr_жl, • Pr_ж)^0.33 (Рr_ж /Pr_ст)^0.25

Определяющие температура и линейный размер аналогичны.

При условии  10³ < Gr_жl, • Pr_ж)G <10⁹  вдоль вертикальной пластины наблюдается  переходной режим свободного движения. Переходный режим отличается неустойчивостью как гидродинамики течения, так и теплоотдачи. Характерная картина свобод­ного движения и изменение коэффициента теплоотдачи вдоль верти­кальной стенки приведена  на рис.

У нижней части стенки в поднимающемся с небольшой скоростью воздухе (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 жидкости, которое постепенно усиливается и переходит в развитое турбулентное движение с ламинарным подслоем в непо­средственной близости к поверхности стенки. В соответствии с измене­нием толщины пограничного слоя и характера движения жидкости у поверхности изменяется и коэффициент теплоотдачи. По мере увели­чения ламинарного пограничного слоя, отсчитывая  от нижнего конца стен­ки, коэффициент теплоотдачи уменьшается. Минимального значения коэффициент теплоотдачи достигает там, где толщина ламинарного пограничного слоя будет максимальной. Далее в области локонообразного движения коэффициент теплоотдачи постепенно возрастает и прини­мает наибольшее постоянное значение в области развитого турбулент­ного движения жидкости. На рис.а показана зависимость a  только от высоты стенки. На рис. б показан характер свободного движения жидкости около горячих 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.

 Непостоянство физических параметров жидкости, и температурного напора по высоте может привести к изменению коэф­фициентов теплоотдачи. В среднем теплоотдача при переходном режиме возрастает от величины, соответствующей ламинарному течению, до величины соответствующей турбулентному движению жидкости. Наименьшее и наибольшее значения коэффициента теплоотдачи в пере­ходной области можно рассчитать по формулам  для вертикальной стенки  при q=const  (см. выше).

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 12 Взаимозаменяемость шпоночных и шлицевых соединений.

.

Для определения средних коэффициентов теплотдачи при свобод­ном ламинарном движении жидкости около горизонтальных труб мо­жно пользоваться формулой И. М. Михее вой

 0,5 (Gr_жl, • Pr_ж)^0.25 (Рr_ж /Pr_ст)^0.25

В этой формуле за определяющую температуру принята температу­ра капельной жидкости или газа вдали от трубы, а за определяющий размер — диаметр трубы.

Около горизонтальных нагретых поверхностей движение жидкости имеет особый характер и зависит от положения и размеров плит (по этому вопросу имеется. специальная литература). Однако для приближен­ных определений коэффициента теплоотдачи горизонтальных поверх­ностей можно рекомендовать приведенную выше формулу (И.М. Михеевой.  При этом, если нагретая поверхность обращена кверху, то коэффициент теплоотдачи, увеличивается на 30%. , для  поверхности, обращенной книзу коэффициент теплоотдачи уменьшается на 30%. За определяющий размер в этих случаях берется меньшая сторона плиты.

Теплоотдача в ограниченном пространстве при свободном движении жидкости представляет собой более сложный процесс, и количествен­ные законы будут другими. Приближенные расчеты для важнейших случаев приводятся в специальной литературе.