Теплообмен при свободном движении жидкости

Свободное движение, или конвективный теплообмен в свободном потоке, возникает в связи с изменением плотности жидкости от нагревания. Свободная конвекция имеет место у нагретых стен, печей, трубопроводов, у батарей центрального отопления, в холодильниках для охлаждения продуктов и др. Этот вид теплообмена играет большую роль, как в промышленности, так и в быту. Свободный теплообмен возникает в нераномерно нагретом газе или жидкости, находящихся как в ограниченном, так и неограниченном пространстве. Если тело имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, то слои жидкости, нагреваясь от тела, становятся легче, и под действием возникающей подъемной силы поднимаются вверх, а на их место поступают из окружающего пространства более холодные слои. Поэтому и возникает свободное движение и свободная конвекция.

Возникающее свободное движение жидкости у вертикальных поверхностей может быть как ламинарным, так и турбулентным. Характер движения в основном зависит от температурного напора , где - температура нагретой поверхности, - температура неподвижной жидкости вдали от поверхности. При малых значениях температурного напора вдоль всей поверхности наблюдается ламинарное движение жидкости. При больших температурных преобладает турбулентный режим движения. В развитии свободного движения форма тела играет второстепенную роль. Основное значение для свободного движения жидкости имеет длина поверхности, вдоль которой происходит теплообмен.

Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при свободном ламинарном движении жидкости вдоль вертикальных стенок можно использовать следующие уравнения:

; (17.10)

. (17.11)

В этих формулах за определяющую температуру принимается температура жидкости вдали от нагретой поверхности; за определяющий размер – длина поверхности, отсчитываемая от начала теплообмена. Формулы получены для теплоносителей с числом Прандтля от 0,7 до 3×10³, и ими можно пользоваться при .

Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при свободном турбулентном движении жидкости вдоль вертикальной стенки, которое наступает при числах , предлагается следующая формула (по И.М. Пчелкину):

. (17.12)

Около горизонтальных нагретых поверхностей движение жидкости имеет особый характер и зависит от положения и размеров плит. Однако для приближенных определений коэффициента теплоотдачи горизонтальных поверхностей можно использовать формулу (17.12). При этом если нагретая поверхность обращена кверху, то коэффициент теплоотдачи, вычисленный по этой формуле, увеличивается на 30%. Если поверхность обращена книзу, то коэффициент теплоотдачи уменьшается на 30%. За определяющий размер в этих случаях берется меньшая сторона плиты.

Теплоотдача в ограниченном пространстве при свободном движении жидкости представляет собой более сложный процесс конвекции и количественные законы будут другими. Эти вопросы рассматриваются в специальных разделах теории конвективного теплообмена.