Факторы, определяющие интенсивность конвективного теплообмена

§ 12. 2. Факторы, определяющие интенсивность конвективного теплообмена

1. Причины возникновения движения. Движение лю­бой жидкости или газа и в природе, и в технике возника­ет благодаря наличию разности давлений. В зависимо­сти от происхождения этой разности давлений различа­ют свободное и вынужденное движение.

А. Свободное движение. Причиной возникно­вения разности давлений является разность плотности жидкости, которая появляется из-за неоднородности тем­пературного поля в жидкости. Главное влияние на коэф­фициент теплоотдачи в этом случае оказывают разность температур в объеме жидкости и физические свойства жидкости. Теплообмен при свободном движении жидко­сти называют естественной конвекцией.

Б. Вынужденное (принудительное) дви-ж е н и е. Причиной возникновения разности давлений яв­ляется внешняя работа, совершаемая насосом, компрес­сором и т. п. Теплообмен при вынужденном движении жидкости называется вынужденной конвекцией.

2. Режим движения. На частицы жидкости в потоке всегда действуют различные возмущения. Одни из них вносятся самим потоком, входящим в канал (систему), другие исходят от стенок, образующих канал. И те и дру­гие мешают развитию организованных форм движения. Каждое возмущение потока, независимо от его природы, создает силы инерции, которые, в свою очередь, действу­ют на поток возмущающим образом, усугубляют, усили­вают действие первоначальных возмущений, В то же вре­мя в потоке есть силы, которые стремятся сохранить со­ответствие движения с геометрической формой канала. Это — силы внутреннего трения. Они являются фактором, уничтожающим влияние возмущений. Следовательно, развитие процесса течения жидкости зависит от того, на-

сколько интенсивно действуют те или иные силы. Преоб­ладание одной из сил определяет режим движения пото­ка. Различают два режима движения: ламинарное и тур­булентное течения.

А. Ламинарное течение. Это течение, в кото­ром преобладают силы трения, силы вязкости. Название режима происходит от латинского слова lamina — поло­са. Ламинарный режим характеризуется упорядоченным движением частиц жидкости, поток движется струйками строго вдоль стенок канала, перемешивания масс жидко­сти поперек потока не происходит.

Б. Турбулентное течение. Это течение, в кото­ром преобладают силы инерции, возмущающие поток. Название режима происходит от латинского слова tarbu-lus — вихрь. Перемещение частиц жидкости в этом слу­чае неупорядочено. Частицы движутся, в основном, вдоль оси потока, в направлении течения жидкости, но в то же время частицы совершают беспорядочные отклонения в стороны, в направлении стенок канала. В результате упорядоченное струйное течение разрушается и происхо­дит интенсивное перемешивание частиц жидкости в пото­ке. Но даже если в целом поток является турбулентным, в пограничном слое непосредственно у стенки всегда имеется тонкий ламинарный слой движущейся жидкости.

3. Физические свойства жидкости. При конвективном теплообмене важное значение имеет коэффициент тепло­проводности жидкости к. Нередко при анализе процес­сов теплообмена в качестве физической характеристики используют комплекс, составленный из трех констант:

Рекомендуемые материалы

x

а— — м² сек,

где с_р — теплоемкость в erf кг • град, a q — плотность жидкости в кг/м^в.

Этот комплекс называют коэффициентом тем­пературопроводности. В связи с тем что в про­цессе конвективной передачи тепла решающую роль иг­рает движение жидкости, необходимо учесть также влия­ние на процесс физических констант, характерных для движущейся жидкости. Это — плотность жидкости q кг/м*, динамический коэффициент вязкости р. н ■ сек/м²   и   кинематический   коэффициент   вязкости

— v—M²jceK. При свободной конвекции важную роль

224

играет коэффициент объемного расширения, который для идеального газа обратно   пропорционален абсолютной

температуре газа Р ⁼ ~м³/м³ ■ град.

Обстановка процесса обычно характеризуется так на­зываемыми параметрами: распределением скорости дви­жения жидкости w м/cejc, давления р нм², температуры жидкости /_ж, температуры стенок ^_ст по сечению и вдоль по потоку.

4. Геометрические условия теплообмена. Конфигура­ция поверхностей, вдоль которых движется жидкость, оказывает большое влияние на распределение скоростей и температур в потоке, а также на режим движения.

По геометрическим условиям различают теплообмен при внутреннем течении жидкости в трубах и каналах (внутренняя задача) и при внешнем омывании поверхно­сти потоком (внешняя задача). При внешнем омывании поток может быть продольным по отношению к наиболь­шему размеру поверхности или поперечным (например, при обдувании потоком газа пучка труб, оси которых пер­пендикулярны или наклонены к направлению движения газа). Для полной геометрической характеристики усло­вий теплообмена нужно задать все характерные размеры системы: /_ь k,..., l_n-

Обратите внимание на лекцию "8 Классическая теория организаций".

Математически зависимость коэффициента теплоотда­чи от всех перечисленных факторов должна выражаться некоторым уравнением вида

a=f(w, q, x, v, с_р, р, *_ж, t_CT, 1_Ь /₂.....> D-  О²-²)

Если бы удалось найти вид формулы (12.2), то зада­ча о конвективном теплообмене была бы решена. Найти эту формулу в явном виде, например решением диффе­ренциальных уравнений, как это было сделано в случае теплопроводности, в подавляющем большинстве случаев не удается-. Каждая задача описывается большим числом сложных дифференциальных уравнений, которые, как правило, не имеют решений.

Для оценки интенсивности конвективного теплообме­на приходится прибегать к опыту. Но результаты каждо­го опыта очень ограничены — они годятся только для тех условий, в которых ставится опыт, для других условий нужен другой эксперимент. В настоящее время для иссле­дования конвективного теплообмена повсеместно исполь­зуется теория подобия, которая сочетает в себе и а нал и-

225

тический, и экспериментальный способы исследования. В развитие этой теории огромный вклад внесли советские ученые — академики Михаил Викторович Кирпичев, Ми­хаил Александрович Михеев и профессор Александр Адольфович Гухман.