5.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

Конвекция - перемещение макроскопических частей среды (газа, жидкости), приводящее к пере­носу массы и теплоты. В реальных условиях конвекция всегда сопровождается теплопроводностью или молекулярным переносом теплоты. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопровод­ностью называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между жидкостью и твер­дым телом часто называют теплоотдачей.

На процесс теплоотдачи влияет целый ряд факторов.

1. Характер движения жидкости около твердой стенки. По природе возникновения различают два вида движения - свободное и вынужденное. Свободным называется движение, происходящее вслед­ствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости в поле тяжести. При соприкоснове­нии с нагретым телом жидкость (воздух) нагревается, становится легче и поднимается вверх. При со­прикосновении с холодным телом жидкость охлаждается, становится тяжелее и опускается вниз. Сво­бодное движение называется также естественной конвекцией и может происходить в ограниченном (ка­нале, щелях) или неограниченном пространстве. Возникновение и интенсивность свободного движения определяются тепловыми условиями процесса и зависят от расположения поверхности (вертикальное или горизонтальное), направления теплоотдающей поверхности (вверх или вниз), рода жидкости, раз­ности температур, напряженности гравитационного поля и объема пространства, в котором протекает процесс.

Вынужденным называется движение, возникающее под действием посторонних возбудителей, на­пример насоса, вентилятора и пр. В общем случае наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное движение жидкости. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур в отдельных точках жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.

Вынужденное движение жидкости может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном режиме (от латинского слова lamina - полоса) течение имеет спокойный, струйчатый характер, а при турбулентном (от латинского слова turbulus - вихрь) - движение неупорядоченное, вихревое. Для про­цессов теплоотдачи режим движения жидкости имеет большое значение.

Изменение режима движения жидкости происходит при некоторой «критической» скорости, кото­рая в каждом конкретном случае различна. Однако при любом виде движения в тонком слое у поверх­ности

из-за наличия вязкого трения течение жидкости затормаживается, и скорость падает до нуля. Этот слой принято называть вязким подслоем. Интенсивность теплоотдачи для газов и жидкостей в основном оп­ределяется термическим сопротивлением этого подслоя. При ламинарном режиме перенос теплоты в направлении нормали к стенке в основном осуществляется путем теплопроводности пограничного слоя. При турбулентном режиме перенос теплоты сохраняется лишь в вязком малом подслое, а внутри турбу­лентного потока перенос осуществляется путем интенсивного перемешивания частиц жидкости.

Потеря устойчивости ламинарного течения сопровождается образованием завихрений, которые за счет диффузии заполняют весь поток, вызывая сильное перемешивание жидкости, называемое турбу­лентным смешением. При турбулентном движении весь поток насыщен беспорядочно движущимися вихрями, которые непрерывно возникают и исчезают. В последующем вследствие вязкости жидкости вихри постепенно затухают и исчезают. Чем больше вихрей, тем интенсивнее перемешивание жидко­сти, тем больше турбулентность потока.

Различают естественную и искусственную турбулентность. Первая образуется естественно в про­цессе нагрева жидкости и ее движения вдоль стенки, когда вначале имеет место ламинарное, спокойное, затем неустойчивое, неупорядоченное, после чего вихревое и турбулентное движение, с отрывом вих­рей от стенки. Вторая вызывается искусственным способом путем установки или наличия в потоке ка­

ких-либо закручивающих лопаток, направляющих аппаратов, решеток и других устройств.

В результате специальных исследований О. Рейнольдс в 1883 г. установил, что в общем случае ре­жим течения жидкости определяется не только одной скоростью, а особым безразмерным комплексом или числом Рейнольдса Re = col/v, характеризующимся скоростью движения жидкости со, коэффициен­том кинематической вязкости жидкости v и характерным (определяющим) размером l канала или обте­каемого тела.

Переход ламинарного режима в турбулентный происходит при определенном, критическом значе­нии критерия Re^, и зависит от условий обтекания пластины, движения жидкости внутри труб, кори­дорного или шахматного расположения труб в пучке и других условий.

Очевидно, что теплоотдача в турбулентном потоке будет больше, чем в ламинарном, и еще больше, чем при свободном движении жидкости. Теплоотдача выше, когда жидкость движется.

Физические свойств или род жидкости. В качестве теплоносителей в настоящее время приме­няются самые разнообразные вещества - воздух, газы, вода, масла, бензол, нефть, бензин, спирты, рас­плавленные металлы и различные специальные смеси. В зависимости от рода и физических свойств этих веществ теплоотдача протекает различно и своеобразно. На теплоотдачу влияют плотность, тепло­емкость, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, кинематическая вязкость жид­кости. Кроме того, физические свойства каждого теплоносителя зависят от температуры, а некоторые из них и давления.

Условия теплового режима. Теплообмен может проходить в обычных или специфических усло­виях, в пограничном или акустическом слое, при изменении агрегатного состояния (кипении или кон­денсации), в определенных условиях тепломассообмена (при распылении воды в форсунках контактных теплообменников или кондиционеров).

Температурный напор АТ - разность температур между твердой стенкой TW и жидкостью If. Чем выше порядок температурного напора, тем выше теплоотдача между жидкостью и стенкой. Например, при первом условии АТ1 = TW - Tf = 1000 - 900 = 100 К, а при втором условии АТ2 = TW - Tf = 400 - 300 = 100 К. Получается, что температурные напоры равны АТ1 = АТ2 = 100 К, однако теплоотдача в первом случае будет выше, чем во втором. Чем больше температура температурного напора, тем больше преоб­ладает турбулентный режим движения жидкости.

Направление теплового потока Q: от твердой стенки к жидкости или обратно - от жидкости к стенке. При одинаковых прочих условиях теплоотдача от горячей стенки с температурой TW к холодной жидкости Tf всегда выше, чем от горячей жидкости к холодной стенке. Например, при первом условии АТ1 = TW - Tf = 400 - 300 = 100 К, а при втором АТ2 = Tf - TW = 400 - 300 = 100 К. Получается, что тем­пературные напоры равны АТ1 = АТ2 = 100 К, однако теплоотдача в первом случае будет выше, чем во втором. Влияние температурного напора АТ и его направления объясняется тем, что в первом случае на поверхности стенки появляется слой, в котором частицы жидкости передвигаются более интенсивно и способствуют улучшению теплообмена, а во втором - нет.

Геометрические размеры тела, например шары с малым и большим диаметрами. При одинако­вых прочих условиях: температуры стенки шаров TW и холодной жидкости Tf - теплоотдача малого ша­ра больше, чем у большого. В процессе теплоотдачи образуется пограничный слой, толщина которого у малого шара меньше, чем большого.

Направление теплоотдающей поверхности. При одинаковых температурах стенки горизон­тальной пластины TW и холодной жидкости Tf теплоотдача поверхности пластины, обращенной вверх, выше, чем плоскости, обращенной вниз. В общем случае коэффициент теплоотдачи может изменяться вдоль поверхности теплообмена, и поэтому различают средний по поверхности коэффициент теплоот­дачи и локальный или местный коэффициент теплоотдачи, соответствующий единичному элементу по­верхности.

Главная прикладная цель изучения теплоотдачи заключается в определении количества теплоты, которое передается от твердой поверхности к жидкости или обратно.

Процесс теплоотдачи можно представить следующим образом. Каждая частица жидкости имеет свою скорость, которая в направлении к стенке убывает, а для частиц, прилипших к стенке, считается равной нулю. Таким образом, от подвижной жидкости к твердой поверхности теплота проходит через неподвижный слой прилипания. Поперек подвижного потока, в направлении к стенке, преобладает мо­лярный перенос теплоты, осуществляемый в основном конвекцией, а у самой стенки превалирующим

становится молекулярный перенос тепла за счет явления теплопроводности, что позволяет определять тепловой поток через слой жидкости у стенки по закону теплопроводности Фурье:

V ду J у=о

Использование закона теплопроводности для расчета процесса теплоотдачи представляется весьма удобным. Однако требуются предварительные знания вида функций температурного поля в жидкости, которые описываются общим дифференциальным уравнением Фурье-Кирхгофа (1.12)

Это уравнение содержит составляющие скорости сох, ау, аг, которые определяются уравнениями движения Навье-Стокса.

Для того чтобы система дифференциальных уравнений была замкнутой, приходится использовать еще одно дифференциальное уравнение, называемое условием неразрывности потока (струи):

Уравнения Фурье-Кирхгофа, Навье-Стокса и неразрывности описывают явление или связь между физическими параметрами в самом общем виде. Для его конкретизации необходимо добавить еще ряд уравнений, называемых условиями однозначности задачи. Условия однозначности включают в себя геометрические, физические, временные и граничные условия (п. 1.3). Таким образом, процесс конвек­тивного теплообмена описывается весьма сложной системой дифференциальных уравнений, аналитиче­

ское решение которой пока не представляется возможным (как это было сделано в случае теплопровод­ности).

Поэтому в настоящее время расчеты процесса теплоотдачи производятся по закону Ньютона (Нью­тон Исаак, 1643 - 1727 гг.)

Q = aF(7w _rf), Вт, (5.1)

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ■ К); F - площадь теплообмена, м ; JW, Jf - температуры по­верхности стенки и жидкости, К.

Коэффициент теплоотдачи а числено равен количеству теплоты AQ (Дж), передаваемой от жид­кости к твердой поверхности (или обратно) в единицу времени т (с) через единицу поверхности F (м ) при перепаде температур между стенкой и жидкостью в один градус К, Дж/(м2 ■ с ■ К) или Вт/(м2 ■ К).

Вся сложность конвективного теплообмена и трудности расчета переносятся и концентрируются на коэффициенте теплоотдачи. Табулирование коэффициента теплоотдачи оказывается невозможным и его численное значение, в большинстве случаев, определяется опытным путем. Техническое выполне­ние опыта по определению коэффициента теплоотдачи большой сложности не представляет.

Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи а требует учета необыкновенно боль­шого множества условий теплообмена. Возникает вопрос: как уменьшить число опытов? Нельзя ли ре­зультаты одного опыта переносить на другие явления, хотя бы родственные? Ответ на эти вопросы дает теория подобия, по которой результаты одного опыта можно перенести на другие явления, если они по­добны. В развитие этой теории огромный вклад внесли академики Михаил Викторович Кирпичев (1879 - 1955 гг.), Михаил Александрович Михеев (1902 - 70 гг.) и профессор Александр Адольфович Гухман.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я