Теоретичні основи. Конвективний теплообмін – це процес переносу тепла при переміщенні макрооб'ємів рідини або газу відносно поверхні твердого тіла

Конвективний теплообмін – це процес переносу тепла при переміщенні макрооб'ємів рідини або газу відносно поверхні твердого тіла.

Розрізняють вільну і вимушену конвекцію. В першому випадку рух рідини виникає в полі масових сил за рахунок різниці густин гарячого та холодного макрооб'ємів рідини. Для виникнення вільного руху рідини необхідно мати різницю температур в об'ємі рідини.

Вимушений рух рідини відбувається за рахунок різниці статичних тисків, яка утворюється примусово, наприклад, за допомогою насосу, вентилятора. В дійсності часто на вимушений рух накладається вільний.

Процес конвективного теплообміну описується системою диференційних рівнянь до якої входять рівняння енергії, рівняння нерозривності, рівняння руху в'язкої рідини. Для отримання єдино правильного рішення до цієї системи додають умови однозначності.

При розв'язуванні цієї системи рівнянь виникають значні ускладнення, тому для інженерних розрахунків конвективного теплообміну використовується теорія подібності, яка дає можливість поширювати результати одиничного досліду на клас подібних явищ.

Геометрична подібність загально відома, а для встановлення фізичної подібності, необхідно ввести поняття класів фізичних явищ і одиничного явища.

Клас фізичних явищ – це сукупність явищ, які можуть бути описані однією загальною системою основних рівнянь фізики, з одним і тим фізичним змістом всіх параметрів і фізичних величин.

Одиничне явище – це член класу фізичних явищ, який відрізняється певними умовами однозначності, заданими числовими значеннями величин.

Подібні явища можна визначити як групу явищ одного класу, що різняться тільки масштабами величин, в першу чергу масштабами однозначності.

Теорія подібності базується на трьох теоремах.

Перша теорема. Для подібних між собою фізичних явищ одноіменні критерії чисельно рівні.

Безрозмірний критерій складений із змінних величин називається критерієм Нуссельта.

В подібних теплових явищах критерії Нуссельта рівні між собою, тобто

Інші критерії подібності:

– критерій Рейнольдса;

v / а – критерій Прандтля;

– критерій Грасгоффа.

Величини, що входять до критеріїв:

V – швидкість руху рідини, м/с;

– коефіцієнт теплопровідності, Вт/м К;

l – визначаючий розмір, м;

– кінематична в'язкість, м²/с;

9,8 м/с²; , 1/К;

а – коефіцієнт температуропровідності, м²/с.

Вказані коефіцієнти визначаються за табл.11 при відомій визначаючій (розрахунковій) температурі.

Коефіцієнт конвєктивної тепловіддачі а _К, Вт/м²К визначається в дослідах.

Друга теорема. Між критеріями існує взаємозв'язок, який математично виражається у вигляді однозначної функціональної залежності, яка називається критеріальним рівнянням:

Третя теорема. Необхідною і достатньою умовою подібності явищ є подібність умов однозначності при рівності одноіменних критеріїв, складених із цих же умов однозначності.

Для успішного використання теорії подібності необхідно навчитись визначати фізичні величини, що входять в склад критеріїв подібності.

Якщо в якості твердого тіла взято горизонтально розташовану трубу, то визначаючою температурою беруть середню температуру між трубою і оточуючим середовищем. Коефіцієнт конвективного теплообміну визначають експериментально на дослідній установці.