Передача тепла конвекцией

Интенсивность переноса тепла конвекцией зависит от степени турбулентности потока жидкости и перемешивания частиц внутри него. Следовательно, конвекция сильно зависит от гидродинамических условий течения потока жидкости.

В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией. Совместный перенос тепла этими способами называется конвективной теплоотдачей. Механизм переноса тепла в ядре потока при его турбулентном движении характеризуется интенсивным перемешиванием макрообъемов среды, которое приводит к выравниванию температур до некоторого среднего значения t_ж. По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает. Это объясняется тем, что вблизи нее образуется тепловой пограничный слой, подобный гидродинамическому пограничному слою, но обычно меньше его по толщине. В этом слое по мере приближения к стенке все большее значение приобретает теплопроводность, а влияние турбулентности становится пренебрежимо мало.

Сложность механизма конвективного теплообмена обусловливает трудности расчета процесса теплоотдачи. Точное решение задачи о количестве тепла, передаваемого от стенки к среде, связано с необходимостью определения температурного градиента у стенки и профиля изменения температур теплоносителя вдоль поверхности теплообмена, что весьма затруднительно. Поэтому за основу непрерывного процесса теплоотдачи принимают уравнение Ньютона:

, (1.3)

где α – коэффициент теплоотдачи, который показывает, какое количество тепла передается от 1 м² поверхности стенки к жидкости в течение 1 секунды при разности температур между стенкой и жидкостью 1 градус.

Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих факторов:

– скорости жидкости w, ее плотности ρ и вязкости μ,т.е. переменных, определяющих режим течения жидкости;

– тепловых свойств жидкости (удельной теплоемкости Ср, теплопроводности λ, коэффициента объемного расширения β);

– геометрических параметров – формы и определяющих размеров стенки (для труб – их диаметра d и длины L, шероховатости ε ).

Таким образом:

α = f(W, μ, ρ, c_p, λ, β, d, L, ε). (1.4)

Отсюда видно, что простота уравнения (1.3) только кажущаяся. Трудность заключается в расчете величины α. Кроме того, невозможно получить расчетное уравнение, пригодное для всех случаев теплоотдачи. Только путем обобщенных опытных данных с помощью теории подобия можно получить обобщенные (критериальные) выражения для типовых случаев теплоотдачи, позволяющие рассчитать коэффициент теплоотдачи для конкретных условий. Исходной зависимостью для этого является общий закон распределения температур в жидкости, выраженный дифференциальным уравнением конвективного теплообмена:

. (1.5)

Это уравнение выражает, в общем виде, распределение температур в движущемся потоке. Его называют также дифференциальным уравнением Фурье-Кирхгофа.

При расчете конвективного теплообмена обычно используют путь, заключающийся в том, что расчетные выражения получают из общих дифференциальных уравнений, применяя методы теории подобия, и приводят их к конкретному виду с помощью экспериментальных данных.