Виды теплообмена. Конвективный теплообмен.

2. Конвекция - это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества.
Общеизвестно, например, что жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, радиаторы отопления помещают под окнами около пола. Случайно ли это?

Поместив руку над горячей плитой или над включенной лампой, мы почувствуем, что от плиты или лампы вверх поднимаются теплые струи воздуха. Эти струи могут даже вращать небольшую бумажную вертушку, помещенную над лампой (рис. 64). Откуда берутся эти струи?

Часть воздуха, которая соприкасается с плитой или лампой, нагревается и вследствие этого расширяется. Ее плотность становится меньше, чем у окружающей (более холодной) среды, и под действием архимедовой (выталкивающей) силы она начинает подниматься вверх. Ее место внизу заполняет холодный воздух. Через некоторое время, прогревшись, этот слои воздуха также поднимается вверх, уступая место следующей порции воздуха, и т. д. Это и есть конвекция.

Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Чтобы заметить перемещение слоев жидкости при нагревании, на дно стеклянной колбы с водой опускают кристаллик красящего вещества (например, пер- манганата калия) и колбу ставят на огонь. Через некоторое время нагретые нижние слои воды, окрашенные перманганатом калия в фиолетовый цвет, начинают подниматься вверх (рис. 65). На их место приходит холодная вода, которая, прогревшись, также начинает подниматься вверх, и т. д. Постепенно вся вода оказывается нагретой. Именно благодаря конвекции происходит нагревание воздуха и в наших жилых комнатах (рис. 66).

Будут ли прогреваться воздух и жидкость, если их нагревать не снизу, а сверху? Обратимся к опыту. Поместив в пробирку кусочек льда и придавив его гайкой или металлической сеточкой, нальем туда же холодную воду. Нагревая ее сверху, можно довести верхние слои воды до кипения (рис. 67), между тем как нижние слои воды останутся холодными (и даже лед там не растает). Объясняется это тем, что при таком способе нагревания конвекции не происходит. Нагретым слоям воды некуда подниматься: ведь они и так уже наверху. Нижние же (холодные) слои так и останутся внизу. Правда, вода может прогреться благодаря теплопроводности, однако она очень низкая, так что пришлось бы долго ждать, пока это произошло бы.

Точно так же можно объяснить, почему не прогревается воздух, находящийся в пробирке, которая изображена на рисунке 68.

Горячим он становится лишь сверху, внизу же он остается холодным.

Опыты, изображенные на рисунках 67 и 68, показывают не только то, что жидкости и газы следует нагревать снизу, но и то, что у них очень плохая теплопроводность.

Конвективный теплообмен - необратимый процесс переноса теплоты в движущихся средах с неоднородным полем температуры, обусловленный совместным действием конвекции и молекулярного движения.
Наиболее, важный для практики случай – конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью её раздела с другой средой (твёрдым телом, жидкостью или газом) – называется конвективной теплоотдачей. Вследствие вязкости движущейся среды она «прилипает» к поверхности раздела, в результате местная скорость среды относительно этой поверхности равна нулю. Поэтому плотность конвективного теплового потока, подходящего к поверхности раздела (или отходящего от неё), может быть описана с помощью закона теплопроводности (закона Фурье):

где λ – коэффициент молекулярной теплопроводности, Т – температура среды. Если λ характеризует физические свойства среды, то градиент температуры формируется под действием конвективного движения среды. Чем интенсивнее конвекция, тем больше градиент температуры.

Основными факторами, влияющими на процесс теплоотдачи являются следующие:

1) Природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки. Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция). Движение, создаваемое вследствие разности давлений, которые создаются насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция).

2) Режим движения жидкости. Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным. Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным.

3) Физические свойства жидкостей и газов. Большое влияние на конвективный теплообмен оказывают следующие физические параметры:

- коэффициент теплопроводности,

- удельная теплоемкость,

- плотность,

- коэффициент динамической вязкости,

- температурный коэффициент объемного расширения.

4) Форма (плоская, цилиндрическая), размеры и положение поверхности (горизонтальная, вертикальная).

Основной и наиболее трудной проблемой в расчётах процессов конвективной теплоотдачи является нахождение коэффициента теплоотдачи λ. Современные методы описания процесса конвективного теплообмена, основанные на теории пограничного слоя, позволяют получить теоретические (точные или приближённые) решения для некоторых достаточно простых ситуаций. В большинстве же встречающихся на практике случаев коэффициент теплоотдачи определяют экспериментальным путём. При этом как результаты теоретических решений, так и экспериментальные данные обрабатываются методами подобия теории и представляются обычно в следующем безразмерном виде:

Nu = f (Re, Pr) — для вынужденной конвекции

и

Nu = f (Gr, Pr) — для свободной конвекции,

где Nu=αL/λ — Нуссельта число, α — безразмерный коэффициент теплоотдачи (L — характерный размер потока, λ — коэффициент теплопроводности); Re - Рейнольдса число, характеризующее соотношение сил инерции и внутреннего трения в потоке; Pr — Прандтля число, определяющее соотношение интенсивностей термодинамических процессов; Gr =gL3βΔT/v2 - Грассхофа число, характеризующее соотношение архимедовых сил, сил инерции и внутреннего трения в потоке (g — ускорение свободного падения, β — термический коэффициент объёмного расширения).

Процессы конвективного теплообмена чрезвычайно широко распространены в технике (энергетике, холодильной технике, ракетной технике, металлургии, химической технологии), а также в природе (перенос тепла в атмосфере, в морях и океанах).