Тема 1.2 Конвекційний теплообмін

План.

1 Основні положення теорії конвекційного теплообміну.

2 Закон Ньютона - Ріхмана.

3 Коефіцієнт тепловіддачі та основні фактори, які впливають на нього.

4 Вільна і вимушена конвекція.

5 Ламінарний і турбулентний режими течії. Фізична суть числа Рейнольда.

 

1 Рідкі і газоподібні теплоносії нагріваються або охолоджуються переважно під час зіткнення з поверхнями твердих тіл. Наприклад, димові гази в печах віддають свою теплоту заготовкам, що нагріваються, в парових котлах – трубам, всередині яких на-грівається або кипить вода; повітря в кімнаті нагрівається від гарячих приладів опа-лення тощо.

В рідинах і газах перенос теплоти здійснюється не тільки теплопровідністю (на молекулярному рівні), але й конвекцією за рахунок руху самої речовини. При цьому відносно великі частки рідини або газу, переміщаючись з області низької температури в область високої або навпаки, є носіями теплоти. Одночасно в рідкому середовищі здійснюється перенос теплоти теплопровідністю, бо в рідині є неоднорідне поле тем-ператур і існує градієнт температури. Теплообмін, обумовлений сумісною дією кон-векції і теплопровідності, називається конвекційним.

Частіше за все рідина (газ) стикається з поверхнею тіла або каналу (труби), по якому вона протікає. Якщо при цьому температура стінки відрізняється від температу-ри рідини (газу), то відбувається конвекційний теплообмін між середовищем і стінкою, який називається тепловіддачею. Поверхня тіла, від (до) якої переноситься теплота, називається поверхнею теплообміну, або поверхнею тепловіддачі.

2 Згідно з законом Ньютона – Ріхмана щільність теплового потоку в процесі теп-ловіддачі пропорційна різниці температур твердої поверхні і рідини (газу) :

, (1.7)

де - коефіцієнт пропорційності, який називають коефіцієнтом тепловіддачі,

.

Різниця температур - це температурний напір або рушійна сила процесу тепловіддачі. Їївизначають за абсолютною величиною, тобто від більшого значення вираховують менше.

Стосовно до всієї поверхні теплообміну для стаціонарного процесу тепловіддачі рівняння (7) набирає вигляду:

(1.8)

 

3 Інтенсивність процесу тепловіддачі характеризується коефіцієнтом . Його чисель-не значення дорівнює щільності теплового потоку при різниці температур поверхні і рідини (газу) в один кельвін:

. (1.9)

Коефіцієнт залежить від багатьох величин:

· швидкості рідини , її щільності і в’язкості , тобто величин, які визначають режим течії рідини;

· теплофізичних властивостей рідини (питомої теплоємності , теплопровідності ), а також коефіцієнта об’ємного розширення ;

· геометричних параметрів: форми і визначальних розмірів стінки (для труб – їх діаметра і довжини ), а також шорсткості стінки.

Отже, , (1.10)

тобто можна зробити висновок, що простота рівняння тепловіддачі (10) гадана. Склад-ність полягає в розрахунку величини .

Внаслідок складної залежності коефіцієнта від значної кількості факторів не-можливо отримати розрахункове рівняння, придатне для всіх випадків тепловіддачі. Лише узагальненням дослідних даних за допомогою теорії подібності можна отримати узагальнені (критеріальні) рівняння для типових випадків тепловіддачі, які дають змо-гу розрахувати для умов конкретної задачі.

Розрахувати коефіцієнт тепловіддачі за формулою (9) можна тільки в експери-ментальних умовах, коли всі інші величини відомі (вимірюються). Під час проектуван-ня будівельних захищень, машин та агрегатів необхідно, знаючи , розрахувати теп-ловий потік (8).

На значення коефіцієнта вирішальний вплив чинять умови течії рідини (газу) поблизу поверхні теплообміну.

 

4 В залежності від причини виникнення течії рідини (газу) відносно стінки розрізня-ють: - природний (вільний) рух;

- вимушений.

У зв’язку з цим конвекція може бути природною (вільною) і вимушеною. Природна конвекція виникає тільки під час теплообміну внаслідок теплового розши-рення нагрітої біля поверхні тепловіддачі рідини (газу), що в свою чергу призводить до виникнення різниці щільностей нагрітих і холодних частин; а вимушена - під дією зовнішнього джерела (вітру, насосу, вентилятору, компресору тощо).

 

5 Вперше режими течії рідини вивчав О. Рейнольдс в 1883 р.

Рух, під час якого всі окремі частинки рідини рухаються паралельними траєкто-ріями, називають струменевим або ламінарним.

Невпорядкований рух, під час якого окремі частинки рідини рухаються заплута-ними хаотичними траєкторіями, тоді як вся маса рідини переміщається в одному на-прямку, є турбулентним.

При турбулентному русі, як і при ламінарному, найближчий до стінки тонкий шар рідини рухається ламінарно. Цей шар називають прикордонним ламінарним ша-ром або ламінарним підшаром, котрий і є основним термічним опором. Через те що товщина цього шару при турбулентному русі значно менша, ніж при ламінарному, опір переносу теплоти буде менше. При турбулентному русі теплота всередині потоку рідини поширюється перемішуванням всіє маси рідини, за виключенням прикордонного шару. Тому теплообмін при турбулентному русі відбувається більш інтенсивно, ніж при ламінарному.

В турбулентному потоці відбуваються пульсації швидкостей, під дією яких частки рідини, що рухаються в головному (осьовому) напрямку, отримують також по-перечні переміщення, котрі призводять до інтенсивного перемішування потоку по пе-рерізу і вимагають відповідно більшої затрати енергії на рух рідини, ніж за ламінар-ного потоку.

Рейнольдс встановив, що величини , , і можна об’єднати в безрозмірний комплекс, чисельне значення якого дає змогу зробити висновок про режим течії ріди-ни. Цей комплекс називається критерієм (числом) Рейнольдса:

. (1.11)

Він є мірою співвідношення між силами інерції та в’язкості в рухомому потоці. За однакових швидкостей руху різних рідин у трубах однакового діаметру турбулент-ність виникає тим швидше, чим більша і менша , або чим менша кінематична в’язкість . Відповідно критерій Рейнольдса можна записати так:

. (1.12)

Перехід від ламінарного до турбулентного руху характеризується критичним значенням . Так, під час руху рідин прямими гладкими трубами . За

течія звичайно є ламінарною, тому дану область значень називають об-ластю стійкого ламінарного режиму. За режим течії нестійкий турбу-лентний або перехідний (змішаний). Лише за турбулентний рух стає стійким (розвинутим).

Під час руху рідини в каналах некруглого перерізу для розрахунку критерію замість використовують еквівалентний діаметр, який визначається відношенням:

, (1.13)

де - площа вільного перерізу трубопроводу або каналу;

- змочений периметр обмитого перерізу трубопроводу або каналу.

Для труб круглого перерізу .

Лекція 3