Теплоотдача при свободной конвекции в ограниченном пространстве

Если объём жидкости невелик, то свободное движение, возникающее у других тел или частей данного тела, расположенных в этом объёме, может оказать влияние на рассматриваемое течение жидкости при свободной конвекции.

Возьмём две вертикальных пластины и рассмотрим два случая:

Если расстояние между пластинами d велико (рис. 16.2 (а)), то восходящие и нисходящие потоки движутся без взаимных помех. В этом случае движение и теплообмен имеют такой же характер, как и в неограниченном пространстве, и теплообмен рассчитывается по приведённым ранее критериальным зависимостям (16.2).

Если расстояние между пластинами мало (рис.16.2 (б)), то вследствие взаимных помех возникают внутренние циркуляционные контуры, высота которых определяется толщиной щели d. В этом случае увеличивается поток тепла от поверхности с температурой стенки Т_с1 к поверхности с температурой стенки Т_с2 за счёт конвекции. Для горизонтальной щели (рис.16.3 (а)), когда температура верхней стенки больше температуры нижней стенки щели, течение может практически отсутствовать. Если температура нижней поверхности больше температуры верхней (рис.16.3 (б)), то в щели возникают конвективные токи, чередующиеся между собой. В этом случае поток тепла от стенки с температурой Т_с1 к стенке с температурой Т_с2 возрастает за счёт конвекции.

Для практических расчётов конвективного теплообмена в ограниченном пространстве эти сложные процессы конвективного переноса теплоты через щели заменяют эквивалентным процессом теплопроводности и рассчитывают его по закону теплопроводности Фурье.

Средняя плотность теплового потока условно записывается через закон теплопроводности Фурье:

. (16.5)

В этом случае эквивалентный коэффициент теплопроводности

, (16.6)

где e_к – коэффициент конвекции;

l_f – коэффициент теплопроводности среды.

Если произведение , то конвекция не учитывается, и коэффициент конвекции равен 1 (чистая теплопроводность).

Если , то коэффициент конвекции рассчитывается по формуле Михеева:

. (16.7)

Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи для различных видов теплообменов

Наиболее распространённые теплоносители и условия их применения представлены в табл. 16.1.

Табл. 16.1.

Теплоноситель	Рабочие условия
Т, °С	р, МПа
Гелий	до –272	до 0,1
Водород	до –257	до 1
Азот, кислород, воздух	до –210	до 20
Хладоны, фреоны, аммиак	до –70	до 1,5
Рассол хлорида кальция и магния	до –50	до 0,1
Вода	от 0,01 до 100	до 0,1
Вода	от 100 до 374,15	от 0,1 до 22,5
Водяной пар	от 100 до 250	от 0,1 до 4
Высокотемпературнй органический теплоноситель дефенил (ВОТ)	до 350	от 0,1 до 0,6
Жидкие металлы (натрий, калий)	от 150 до 700	до 0,1
Дымовые газы	от 400 до 1500	до 0,1

Средние значения коэффициентов теплоотдачи

для различных случаев теплообмена теплоотдача жидких металлов

Табл. 16.2.

Вид теплообмена
Свободная конвекция в газах	5 – 30
Свободная конвекция воды	100 – 1000
Вынужденная конвекция газов	50 – 500
Вынужденная конвекция воды	500 – 20000
Плёночная конденсация водяного пара	4000 – 10000
Капельная конденсация водяного пара	40000 –100000
Жидкие металлы	100 – 30000

Ориентировочные значения коэффициентов

теплопередачи К

Табл.16.3

Вид теплообмена	Для вынужденной конвекции	Для свободной конвекции
От газа к газу	10 – 40	4 – 12
От газа к жидкости	10 – 60	6 – 20
От конденсирующегося пара к газу	10 – 60	6 – 12
От жидкости к жидкости	800 – 1600	140 – 340
От конденсирующегося водяного пара к воде	800 – 3500	300 – 1200
От конденсирующегося водяного пара к кипящей воде	800 – 3500	300 – 2500

Расплавленные металлы применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить интенсивный отвод теплоты от поверхности нагрева или когда при низком давлении требуется иметь высокую температуру рабочей жидкости.

Охлаждение жидкости металлами совмещает достоинства газового и водяного охлаждений. Жидкие металлы имеют высокую точку кипения, что позволяет повышать их температуру без применения высокого давления, им присущи большие коэффициенты теплоотдачи.

Наиболее приемлемыми теплоносителями этого типа являются щелочные и тяжёлые металлы и их сплавы. Физические свойства жидких металлов существенно отличаются от свойств обычных теплоносителей – воды, масла и др. У металлов больше удельный вес и коэффициент теплопроводности, значение же теплоёмкости ниже, особенно мало значение числа Прандтля.

.