Теплопередача конвекцией. Критериальные уравнения.

Под конвекцией понимают движение микрочастиц относительно друг друга. Любое движение связано с переносом кинетической энергии, а следовательно с изменением температуры. Поэтому, если среда имеет неравномерную температуру, то процесс конвекции будет направлен на ее выравнивание по всему объему.

Конвективный теплообмен (теплоотдача) представляет собой процесс передачи тепла от твердой поверхности к газу или жидкости, или, наоборот, от жидкости или газа к поверхности.

Механизм теплоотдачи включает в себя теплопроводность внутри тонкого неподвижного слоя газа или жидкости у поверхности (пограничный слой) и конвекцию, т.е. способ передачи тепла, связанный с перемещением макрообъемов газа или жидкости.

Пример конвекции – батарея.

Конвекции нет у спутниковой аппаратуры.

Различают два режима движения: ламинарный и турбулентный.

Ламинарный режим движения характеризуется параллельным перемещением слоев жидкости относительно друг друга. Профиль скоростей, взятый по сечению канала, при таком движении имеет вид правильной параболы (рис. а). Теплообмен в потоке жидкости не интенсивный и осуществляется в основном за счет теплопроводности слоев.

Турбулентный режим движения характеризуется непостоянством скорости отдельных частиц. Движение представляется вихревым, пульсирующим и прерывистым. Профиль скоростей, взятый по сечению канала, имеет вид усеченной параболы (рис. б). Интенсивность теплообмена при таком движении очень высока, так как жидкость постоянно перемешивается.

В зависимости от причин вызывающих движение частиц жидкости или газа, различают два вида конвекции свободную и вынужденную. Свободная конвекция (естественная) – это движение частиц за счет действия на них подъемной силы в результате разности плотности. Интенсивность такой конвекции будет зависеть от рода вещества, разности температуры отдельных частиц вещества и от объема пространства, где происходит движение частиц. Условия свободной конвекции: наличие разности температур (и разности плотностей в объеме теплоносителя); наличие поля тяготения.

Вынужденная (принудительная или искусственная) конвекция вызывается работой посторонних возбудителей (вентилятор, насос и пр.) и возникает он в результате разности давлений, создаваемой этими возбудителями.

Аналитический метод в анализе теплопередачи конвекцией не работает, пользуются экспериментальным подходом (теорией подобия, критериями подобия, достоинствами которых являются безразмерность).

Критерии:

1) – Нуссельта (характеризует интенсивность конвективного теплообмена)

2) - Рейнольдса (характеризует интенсивность вынужденного движения)

3) - Грасгофа (характеризует интенсивность свободного движения)

4) – Прандтля (характеризует физические свойства жидкости)

Обозначения:

l – геометрический размер тела (определяющий линейный размер); – скорость движения потока (м/с); v – кинематическая вязкость потока (м²/с); – коэффициент объемного температурного расширения (1/⁰К); - коэффициент температуропроводности.

Выбор определяющего размера l для каждого конкретного случая производится так, чтобы был учтен тот путь, который проходит нагреваемый (охлаждаемый) теплоноситель около поверхности. Например, воздух вдоль вертикальной трубы проходит путь, равный длине трубы, а горизонтальную трубу воздух обтекает по диаметру. Значит, в первом случае l=L трубы, а во втором l=d.

Теплоотдача в условиях свободной конвекции для газов:

Теплоотдача в условиях вынужденной конвекции:

C – константа; n – величина степени, в которую возводим Gr и Pr; m берем при определяющей температуре (средняя температура пограничного слоя)

При –– режим движения потока считается ламинарным;

При –– режим движения потока считается турбулентным.

Nu=0,5 – пленочный неподвижный режим теплопередачи (слабо интенсивная теплопередача)

- поток ламинарный

– поток турбулентный

	Режим течения	C	n
<10-3	Пленочный	0,5
10-3 ÷ 5·102	Переходный от пленочного к ламинарному	1,18	1/8
5·102 ÷ 2·107	Ламинарный и переходный к турбулентному	0,54	1/4
> 2·107	Турбулентный	0,135	1/3