Конвективный теплообмен

Процесс теплообмена между жидкостью и стенкой, которую эта жидкость омывает, называется конвективным теплообменом, или процессом теплоотдачи. В этом процессе теплота передается одновременно путем теплопроводности и конвекции, и поэтому такой вид теплообмена представляет собой сложный процесс, зависящий от большего числа факторов по сравнению с процессом чистой теплопроводности.

Конвективный теплообмен характерен для большинства процессов тепловой обработки строительных материалов и изделий, связанных с прохождением газов через слой материала, над уровнями жидкостей при сушке и т. д.

Факторы, влияющие на процесс теплоотдачи, условно можно разделить на следующие группы.

I. Природа возникновения движения жидкости вдоль стенки. В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают два вида движения — свободное и вынужденное. Свободное движение, называемое иначе естественной конвекцией, вызывается подъемной силой, обусловленной разностью плотностей холодных и нагретых частиц жидкости. Интенсивность свободного движения зависит от вида жидкости, разности температур между отдельными ее частицами и объема пространства, в котором протекает процесс.

Вынужденное движение жидкости, или вынужденная конвекция, обусловлено работой внешних агрегатов (насоса, вентилятора и т. п.). Движущая сила при этом виде движения возникает вследствие разности давлений, устанавливающихся на входе и выходе из канала, по которому перемещается жидкость. Если скорость вынужденного движения небольшая и есть разница температур между отдельными частицами жидкости, то наряду с вынужденным движением может наблюдаться и свободное движение.

Тепловой поток в процессе конвекции определяется уравнением Ньютона – Рихмана:

Q = α∙F∙(t_ст – t_ж), Вт, (6.1)

где F – площадь поверхности теплообмена, м²; t_ст – температура стенки, °С;

t_ж – температура жидкости, °С; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²∙град).

II. Режим движения жидкости. Движение жидкости может иметь ламинарный или турбулентный характер. В первом случае частицы жидкости в форме отдельных несмешивающихся струй следуют очертаниям канала или стенки и профиль скоростей на достаточном удалении от начала трубы имеет вид правильной параболы. Подобное распределение установившихся скоростей обусловливается наличием сил внутреннего трения (вязкости) между частицами жидкости. При этом скорость движения частиц жидкости, перемещающихся по оси трубы, наибольшая.

Турбулентный режим движения характеризуется непостоянством скорости движения частиц жидкости. Наблюдается непрерывное перемешивание жидкости. Характерно, что не все частицы жидкости при турбулентном режиме имеют неупорядоченное движение. Вблизи стенок, ограничивающих потоки, вследствие вязкости жидкости пульсации скорости уменьшаются, и около самой стенки сохраняется тонкий пограничный слой, движущийся ламинарно. Строго говоря, турбулентные пульсации проникают и в ламинарный подслой и затухают в нем вследствие действия сил вязкости.

Английский физик Рейнольдс установил, что при движении жидкости в трубах переход из ламинарного режима в турбулентный определяется значением безразмерного комплекса wdρ/µ, в который входят средняя скорость w, диаметр трубы d, плотность ρ и динамическая вязкость жидкости µ. Этот комплекс называют числом Рейнольдса и обозначают символом Re.

При Re < 2300 движение жидкости в трубах имеет ламинарный характер, а при Re > 10000 — турбулентный. Переходный режим движения жидкости имеет 2300 ≤ Re ≤ 10000.

Коэффициент теплоотдачи определяет мощность теплового потока, проходящего от жидкости к стенке (или обратно) через единицу поверхности (1 м²) при разности температур между жидкостью и стенкой в 1 градус.

Коэффициент теплоотдачи α зависит от большого числа разнообразных факторов (w, µ, ρ, C - теплоемкость, Ф – форма стенки). Интенсивность процесса теплоотдачи в основном определяется наличием и толщиной ламинарного пограничного слоя, через который теплота передается лишь путем теплопроводности.

Следует отметить, что с возрастанием вязкости µ повышается толщина пограничного слоя и уменьшается коэффициент α. Возрастание скорости потока w теплоносителя приводит к уменьшению толщины пограничного слоя и к увеличению коэффициента теплоотдачи.

Наиболее точно коэффициент теплоотдачи можно определить опытным путем. В настоящее время определение α производится не на самих образцах тепловых устройств, а на их упрощенных моделях, более удобных для экспериментирования. Результаты опытов, проведенных на моделях, обобщают, используя теорию подобия. Составляют критерии подобия с помощью дифференциальных уравнений конвективного теплообмена, т.е. уравнений, которые дают аналитическую зависимость между параметрами, характеризующими процесс теплоотдачи в дифференциальной форме.