Физические условия при теплообмене конвекцией

Глава 12 ТЕПЛООБМЕН КОНВЕКЦИЕЙ

§ 12.1. Физические условия при теплообмене конвекцией

Конвекцией называется перенос частиц газа или жидкости, вызванный движением, течением вещества. При этом, если температуры в разных местах потока раз­личны, происходит и перенос тепловой энергии.

Конвективный теплообмен — сложный процесс, при котором тепло передается за счет перемешивания от­дельных объемов среды, имеющих различную температу­ру, и одновременно за счет теплопроводности среды.

Причиной переноса тепла по-прежнему является не­равномерность температурного поля. Но как само тем­пературное поле, так и интенсивность переноса тепла за­висят от множества факторов, в первую очередь — от характера движения и физических свойств жидкости (или газа) и от геометрических характеристик системы, в которой происходит теплообмен.

Главной задачей теории конвективного теплообмена, в отличие от теории теплопроводности, является не на­хождение температурного поля в потоке жидкости или газа, а определение количества теплоты, которое прохо­дит через поверхность твердого тела, омываемого пото­ком.

В расчетной формуле конвективного теплообмена вы­деляют главный фактор — разность температур, вызыва-

220

ющая теплообмен. Плотность теплового потока выра­жается уравнением Ньютона:

Рекомендуемые материалы

q^atd. (12.1)

Коэффициент пропорциональности а называется ко­эффициентом теплоотдачи и выражает количе­ство теплоты, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени на кажды градус температурной разности. На величине этого коэффициента отражается все многообразие факторов, определяющих интенсив­ность конвективного теплообмена, поэтому коэффициент теплоотдачи в разных условиях имеет весьма различные значения (табл. 12.1).

Таблица 12.1

Значения коэффициента теплоотдачи

а вт/м--град

Величина Af, входящая в формулу Ньютона (12.1), представляет собой разность между температурой потока (жидкости) н температурой стенки, омываемой потоком:

д£=/_ж — /_ст.

Так как в потоке поле температуры неоднородно, то за температуру потока t_K обычно принимают температу­ру жидкости на достаточно большом удалении от стенки (или среднюю температуру в данном сечении потока, как об этом сказано ниже).

Физические условия процесса конвективного тепло­обмена рассмотрим на примере охлаждения жидкости при ее движении вдоль плоской стенки (рис. 12.1).

Скорость потока непосредственно по стенке равна ну­лю; по мере удаления от стенки (в^: направлении оси у)

221

скорость увеличивается и на некотором расстоянии 6_Л от стенки становится почти постоянной.

Слой жидкости (газа), прилегающий к стенке, в кото­ром скорость изменяется от нуля до некоторого постоян­ного значения, называется гидродинамическим погранич­ным слоем. Его толщина б'_д очень невелика — она в сотни раз меньше того расстояния х₀, которое прошел поток вдоль поверхности до данного сечения.

Рекомендуем посмотреть лекцию "6 Центр параллельных сил. Центр тяжести".

Рис. 12. 1. Физические условия конвек­тивного теплообмена. Поли скоростей и  температур   в   потоке   жидкости у стенки

Температура жидкости также плавно изменяется от значения t_w в глубине потока до значения t_CT на поверх­ности стенки. Слой жидкости, в пределах которого проис­ходит это изменение температуры, называется тепловым пограничным слоем. Толщина этого слоя 6_Т также очень невелика: для газов 6_Т"6_Д, в первом приближении мож­но считать, что б_т~6д.

Перенос теплоты в пограничном слое происходит в основном за счет теплопроводности жидкости. Наобо­рот, вдали от стенки теплота переносится вместе с части­цами жидкости, которые беспорядочно перемещаются поперек потока. Основное термическое сопротивление при конвективном теплообмене возникает в пограничном слое. Следовательно, интенсивность конвективного теплообме-

222

на тем выше, чем меньше толщина пограничного слоя, и все факторы, изменяющие эту толщину, существенно влияют на теплоотдачу.

В общем случае коэффициент теплоотдачи зависит от формы и размеров поверхности твердого тела, от режима движения жидкости, от физических свойств жидкости, а также от абсолютно^ значения температуры жидкости вдали от стенки и от характера распределения температу­ры по толщине пограничного слоя.