Конвективный теплообмен

Основные понятия и определения

Понятие конвективного теплообмена охватывает процесс теплообмена при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Под конвекцией теплоты понимают перенос теплоты при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция возможна только в текучей среде, здесь перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Если в единицу времени через единицу контрольной поверхности нормально к ней проходит масса жидкости , кг/(м²с), где - скорость, r - плотность жидкости, то вместе с ней переносится энтальпия i, Дж/кг

(di – есть элементарное количество теплоты).

Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно происходит соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры. В результате конвективный теплообмен описывается уравнением:

(1)

Здесь – локальное (местное) значение плотности теплового потока за счет конвективного теплообмена.

Конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью соприкасающегося с ним тела называется конвективной теплоотдачей или теплоотдачей.

Различают свободную и вынужденную конвекцию.

При свободной конвекции - движение жидкости в рассматриваемом объеме жидкости возникает за счет неоднородности в нем массовых сил. Если жидкость с неоднородным распределением температуры, и, как следствие, с неоднородным распределением плотности, находиться в поле земного тяготения, может возникнуть свободное гравитационное движение. В дальнейшем именно такой вид свободной конвекции мы и будем рассматривать. (В невесомости конвекция затруднена, так как нет гравитационных сил). Где человеку будет теплее – в комнате с Т_в = 20° или в космическом корабле в состоянии невесомости при Т_в = 20°? – в космосе, так как конвективная теплоотдача затруднена.

Вынужденное движение рассматриваемого объема жидкости происходит под действием внешних поверхностных сил, приложенных на его границах, за счет предварительно сообщенной кинетической энергии (например, за счет насоса, вентиляции, ветра).

Вынужденное движение в общем случае сопровождается свободным движением. При больших скоростях вынужденного движения влияние свободной конвекции пренебрежимо мало.

Стационарным считается процесс, когда скорости и температуры в любой точке жидкости не изменяются во времени.