Основные положения теории конвективного теплообмена

Второй вид теплообмена – конвекция – происходит только в газах и жидкостях и состоит в том, что перенос теплоты осуществляется перемещающимися в пространстве объемами среды. Конвекция всегда связана с теплопроводностью и поэтому такой совместный перенос теплоты (конвекция и теплопроводность) называется конвективным теплообменом.

Конвекция бывает вынужденная и естественная. При вынужденной конвекции движение среды осуществляется искусственно, а при естественной – движение среды происходит в связи с ее нагреванием и изменением плотности.

На интенсивность конвекционного теплообмена существенное влияние оказывает режим движения жидкости или газа и их физические свойства.

При ламинарном режиме течения и отсутствии естественной конвекции теплота в направлении перпендикулярном стенке передается только теплопроводностью. Количество этой теплоты зависит от свойств жидкости или газа, геометрических размеров, формы поверхности канала и почти не зависит от скорости течения.

При турбулентном движении среды перенос теплоты наряду с теплопроводностью осуществляется перпендикулярным стенке канала перемещением частиц.

Большое влияние на теплообмен оказывают следующие физические параметры: теплопроводность , удельная теплоемкость , плотность , температуропроводность , вязкость (динамическая или кинематическая ). Эти параметры имеют определенное значение для каждого вещества и являются функцией температуры, а некоторые из них – и давления.

Режимы течения и пограничный слой. Теоретическое рассмотрение задач конвективного теплообмена основывается на использовании теории пограничного слоя, разработанной Л. Прандтлем (1904). При продольном течении жидкости с постоянной средней скоростью относительно твердой поверхности (рис.10.1, а), вследствие влияния сил трения в непосредственной близости от твердой стенки скорость течения должна быстро уменьшаться до нуля. Тонкий слой жидкости вблизи поверхности стенки, в котором происходит изменение скорости жидкости от среднего значения до нуля непосредственно на стенке называется динамическим пограничным слоем. Его толщина увеличивается вдоль по потоку. Течение в динамическом пограничном слое может быть как турбулентным 1, так и ламинарным 2 (рис. 15.1.,б). Характер течения и толщина его ( и ) определяются числом Рейнольдса . В случае турбулентного динамического пограничного слоя непосредственно у стенки имеется очень тонкий слой жидкости, движение в котором имеет ламинарный характер. Этот слой называется вязким (или ламинарным) подслоем 3, рис. 9.1,б.

Если температуры жидкости и стенки неодинаковы, то вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой, в котором происходит все изменение температуры жидкости (рис. 15.2, а). Вне пограничного слоя температура жидкости постоянна и равна . В общем случае толщина теплового и динамического слоев могут не совпадать (рис 15.2, б).

Соотношение толщин динамического и теплового пограничных слоев определяется безразмерным числом . Для вязких жидкостей с низкой теплопроводностью (масла и др. рабочие жидкости) число и толщина динамического пограничного слоя больше толщины теплового пограничного слоя. Для газов и толщины слоев приблизительно одинаковы. Для жидких металлов и тепловой пограничный слой проникает в область динамического пограничного слоя.

Механизм и интенсивность переноса теплоты зависят от характера движения жидкости в пограничном слое. При ламинарном движении теплота переносится теплопроводностью. У внешней границе, где температура по нормали к стенке изменяется незначительно, преобладающим механизмом переноса теплоты является конвекция вдоль стенки.

Рис. 15.1. Режимы течения и пограничный слой

Рис. 15.2. Течение жидкости в пограничном слое

При турбулентном течении в тепловом пограничном слое перенос теплоты в направлении стенки обусловлен в основном перемешиванием жидкости. Интенсивность такого переноса теплоты существенно выше интенсивности переноса теплоты теплопроводностью. Но непосредственно у стенки, в ламинарном подслое, перенос теплоты всегда осуществляется теплопроводностью.