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 (рис.1.1).

Плотность турбулентного теплообмена q_т в направлении оси "у" определяется выражением:

(1-6)

Здесь l_т - коэффициент турбулентной теплопроводности.

Величина l_т во много раз превышает значения l, т.к. в ядре турбулентного потока переносится заметно большее количество тепла, чем путем теплопроводности в тепловом пограничном слое.

Интенсивность переноса тепла в ядре потока за счет l_т определяется коэффициентом турбулентной температуропроводности:

,

величина которого в области теплового слоя, по мере приближения в стенке уменьшается. Для интенсификации конвективного теплообмена необходимо уменьшить толщину теплового пограничного слоя.

Сложность механизма конвективного теплообмена обуславливает 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 в основу непрерывного процесса теплоотдачи берут уравнение Ньютона:

Q=a×F(t_ст - t_ж) (1-7)

Здесь a - коэффициент теплоотдачи, который показывает какое количество тепла передается от 1 м² поверхности стенки к жидкости в течение 1 сек при разности температур между стенкой и жидкостью 1 град.

Он зависит от следующих факторов:

1. Скорости жидкости w, ее плотности r и вязкости m, т.е. переменных, определяющих режим течения жидкости;

2. Тепловых свойств жидкости (удельной теплоемкости Ср, теплопроводности l, коэффициента объемного расширения b ;

3. Геометрических параметров - форма и определяющие размеры стенки (для труб - их диаметр d и длина L, шероховатость ).

Таким образом

a=f (W,m,r,с_р,l,b,d,L,e) (1-8)

Отсюда видно, что простота уравнения (1-7) только кажущаяся. Трудность заключается в расчете величины "a". Кроме того, невозможно получить расчетное уравнение, пригодное для всех случаев теплоотдачи. Только путем обобщения опытных данных с помощью теории подобия можно получить обобщенные (критериальные) выражения для типовых случаев теплоотдачи, позволяющие рассчитать a для конкретных условий. Исходной зависимостью для этого является общий закон распределения температур в жидкости, выраженный дифференциальным уравнением конвективного теплообмена.