Конвективный теплообмен. Виды движения теплоносителя

 

В дальнейшем под жидкостью будут подразумеваться не только ка­пель­ные жидкости, но также и газы. При этом скорости движения будем вы­бирать небольшие по сравнению со скоростью звука, что позволяет пренеб­регать сжи­маемостью газов.

В технике применяют разные жидкости-теплоносители с различными фи­зи­ческими свойствами, газообразные продукты сгорания, воздух, пар, воду, орга­нические жидкие теплоносители и т. д.

Движение жидкости может быть естественным (свободным) или вы­ну­ж­денным (принудительным).

Вынужденное движение осуществляется нагнетателями (вентилято­рами, компрессорами, насосами и т. д.), естественное вызыва­ется раз­но­стью удельных весов жидкости в разных местах ее объема. Движение жид­кости может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном или слоистом движении струи жидкости в своем течении повторяют очерта­ния ка­нала или стенки. В силу внутреннего трения (вязкости) скорость жид­кости различна по сечению. Но скорость в каждой точке при установившемся движе­нии постоянна, т.е. струи потока располага­ются упорядоченно, скользя одна по отношению к другой. При ламинар­ном движении эпюра скоростей представ­ляет собой параболу (рис. 4.9, а), для которой отношение максимальной скорости ω_max к средней ω_cp рав­но 2. Распространение теплоты по нормали к направле­нию движения про­исходит благодаря тепловому движению молекул и атомов, т. е. за счет теплопроводности.

Рис. 4.9. Распределение скоростей при движении жидкости в трубе:

а – ламинарное движение; б – турбулентное движение.

При турбулентном движении (рис. 4.9, б) происходит постоянное перемешивание жидкости, при этом струи хаотически возникают и перемешиваются одна с другой, вследствие чего увидеть отдельные струи нельзя. Скорость жидкости в каж­дой точке переменна и подвергается частым пульсациям, изме­няясь по вели­чине и направлению. В случае турбулентного движения для каждой точки приходится рассматривать усредненные значения ско­ростей.

Для ламинарного движения, учитывая, что в этом случае теплота рас­про­страняется только теплопроводностью, можно применить закон теплопроводности Фурье:

         ,                           (4.25)

где λ - коэффициент теплопроводности среды; α - коэффициент теплоотдачи от стенки к среде (жидкости); у - расстояние от стенки по нормали к поверхности трубы.

Тогда                        .                                    (4.26)

Но определить значение градиента температур (dt / d у)_у = 0 трудно, так как для этого нужно рассчитать температурное поле в текущей сре­де. Сде­лать это можно путем вывода дифференциального уравнения, описываю­щего темпе­ратурное поле текущей жидкости с последующей конкретиза­цией путем при­менения условий однозначности.

Выделяя в потоке жидкости элементарный параллелепипед, необходи­мо учитывать не только перенос теплоты теплопроводностью q_{теплопр} = - λ(dtldx), но и кон­вективным потоком при скорости жидкости вдоль оси ω _x:

                                                    (4.27)

В этом уравнении произведение pω_x называют массовой скоростью жидко­сти, кг/(м²·сек) и очень часто используют при расчетах;

i = c_{p ∆} t - удельная энтальпия, Дж/кг.