Общие сведения. Конвективная передача теплоты осуществляется за счет перемещения микро–и макрообъемов (вихрей), а передача теплоты теплопроводностью –за счет движения

Конвективная передача теплоты осуществляется за счет перемещения микро–и макрообъемов (вихрей), а передача теплоты теплопроводностью –за счет движения молекул. В большинстве случаев скорости движения вихрей оказываются значительно выше скорости движения молекул. Кроме того, каждый вихрь содержит значительное число молекул. Поэтому количество теплоты, передаваемой теплопроводностью и конвекцией, может быть различным. Конвекцией обычно передается теплоты больше.

Конвекция всегда связана с движением микро–и макрообъемов теплопередающего или тепловоспринимающего вещества.

Движение жидкости или газа при этом может быть вызвано либо внешними силами, например, напором, создаваемым вентилятором, компрессором или насосом, либо наличием подъемной силы, возникающей

вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц. В зависимости от этого различают вынужденную конвекцию или свободную (естественную) конвекцию.

В зависимости от режима движения потока теплоносителя различают конвекцию при ламинарном и турбулентных движениях. При ламинарном режиме перенос теплоты в направлении, перпендикулярном направлению движения потока теплоносителя, определяется только процессом молекулярного переноса вещества, который в свою очередь зависит от коэффициента теплопроводности . При турбулентном режиме перенос теплоты обусловлен поперечным перемещением микро –и макрообъемов вещества (вихрей). Чем выше скорость движения потока, тем больше при прочих равных условиях интенсивность поперечного перемещения теплоносителя. Молекулярный перенос вещества внутри потока имеет при этом второстепенное значение.

По мере приближения к стенке канала роль теплопроводности в передаче теплоты возрастает, так как величина поперечных пульсаций скорости уменьшается в результате влияния вязкости потока. У стенки передача теплоты осуществляется только теплопроводностью, а влиянием конвекции на теплоотдачу в этом случае можно пренебречь. Подобное изменение характера влияния теплопроводности и конвекции в поперечном сечении теплоносителя объясняется наличием внутри потока ядра и пристеночной части (динамического пограничного слоя) (рис.2.1).

Рис. 2.1. Эпюры скоростей при движении потока в каналах круглого сечения:

а – ламинарное движение; б – турбулентное движение; 1 – ядро потока; 2 – динамический пограничный слой

В ядре потока скорость потока вследствие поперечных перемещений вихрей меняется весьма незначительно. По толщине динамического пограничного слоя наблюдается очень сильное изменение скорости, которая меняется от максимального значения в ядре до нуля на поверхности твердого тела.

Динамический пограничный слой состоит из ламинарного и турбулентного подслоя (рис.2.2). Первый располагается непосредственно вблизи стенки, а второй–между ламинарным подслоем и ядром потока.

Рис. 2.2. Пограничный слой теплоносителя:

δ - ламинарный подслой; S – турбулентный подслой

Конечной целью теплотехнического расчета конвективного теплообмена является определение количества теплоты, отдаваемой или воспринимаемой поверхностью твердого тела в единицу времени– . Рассмотри поле температур в турбулентном потоке и определим величину удельного теплового потока. Учитывая, что через вязкий подслой теплота передается теплопроводностью, величину удельного теплового потока можно определить из уравнения:

Вт/м². (2.1)

Суммарное количество теплоты , передаваемой всей поверхностью тела F, равно:

Вт. (2.2)

Чтобы из уравнения (2.1) определить , надо знать либо g rad t, либо . Простыми средствами измерить эти величины трудно, тем более что они зависят от режима движения, от размеров и состояния поверхности нагрева и т.д. В силу этого изучение и расчет конвективного теплообмена производится на основе закона Ньютона–Рихмана:

Вт. (2.3)

Приравняв уравнения (2.2) и (2.3), получим:

. (2.4)

Это соотношение удобно использовать для качественной оценки влияния некоторых факторов на величину . Так, например, увеличение скорости движения потока приведет к увеличению турбулентности и уменьшению толщины вязкого подслоя, а следовательно, к увеличению . Увеличение вязкости потока приводит, наоборот, к увеличению толщины вязкого подслоя и к уменьшению . Меняя коэффициент теплопроводности потока, можно при прочих равных условиях менять величину коэффициента .