Теплоотдача при свободном движении жидкости в большом объёме

 

В гравитационном поле массовых сил свободное движение возникает в результате различной плотности холодных и горячих объемов теплоносителя. Нагреваемые от стенки объемы теплоносителя всплывают, а охлаждаемые опускаются.

Характер движения теплоносителя около стенки зависит от формы поверхности, ее положения в пространстве и направления теплового потока. На рисунке показана картина движения теплоносителя около нагретой вертикальной стенки.

Движение теплоносителя вдоль нагретой вертикальной стенки в нижней части имеет ламинарный характер, выше - переходный, а затем - турбулентный. В случае холодной стенки теплоноситель перемещается сверху вниз, и характер течения изменяется в той же последовательности. Режим течения определяется главным образом перепадом температур стенки и теплоносителя, с увеличением которого сокращается длина участка, занятого ламинарным потоком, и увеличивается зона турбулентного движения.

На участке ламинарного движения коэффициент теплоотдачи уменьшается в соответствии с увеличением толщины ламинарного слоя теплоносителя. В зоне турбулентного движения коэффициент теплоотдачи имеет практически одинаковое значение для всей поверхности.

Характер движения теплоносителя около плоских горизонтальных поверхностей зависит от их расположения и направления теплового потока.

При движении горячего потока к холодной поверхности сверху и при движении холодного потока к горячей поверхности снизу поверхность стесняет движение теплоносителя, и потому теплообмен протекает менее интенсивно, чем в случаях не стеснённого движения.

Анализ многочисленных экспериментальных исследований теплоотдачи при свободном движении теплоносителя в неограниченном пространстве показал, что для средних коэффициентов теплоотдачи можно записать уравнение подобия, которое справедливо для различных форм поверхности теплообмена:

                                                               

Значения величин c и n в этом уравнении зависят от произведения чисел Gr×Pr=Ra - это произведение часто называют числом Релея:

 

Gr × Pr	c	n
10^-3…5×10^2	1.18	1/8
5×10^2…2×10^7	0.54	1/4
2×10^7…10^13	0.135	1/3

 

За определяющую температуру здесь принята средняя температура пристенного слоя жидкости. Определяющий размер зависит от формы и расположения поверхности теплообмена: для труб и шаров за определяющий размер  следует принимать их диаметр, для вертикальных поверхностей - их высоту, для горизонтальных плоских поверхностей - наименьший горизонтальный размер.

Теплоотдача плоских поверхностей, которые составляют с вертикалью угол j, также может быть оценена с помощью уравнения путем введения в него поправки, зависящей от угла j. Коэффициент теплоотдачи наклонной поверхности определяется как коэффициент теплоотдачи вертикальной поверхности, умноженный на поправочный множитель  для поверхностей, обращенных вверх, и  для поверхностей, обращенных вниз.