Загальні поняття

Конвективним називається теплообмін між поверхнею і теплоносієм (рідиною або газом), що омиває цю поверхню. Для з’ясування фізичної суті процесу теплообміну скористаємося експериментальними дослідженнями. Зокрема розглянемо теплообмін між потоком теплоносія і плоскою поверхнею пластини.

Будемо вважати температуру поверхні постійною як по довжині так і в часі. Температура в набігаючому потоці також постійна. Безпосередньо біля поверхні рідини швидкість потоку рівна нулю. На значному віддаленні від поверхні швидкість незбуреного теплоносія . Зміна швидкості від 0 до відбувається в тонкому шарі товщиною δ, який називають пограничним.

На початку пластини товщина пограничного шару дуже мала, перемішування рідини в ньому відсутнє. Такий рух рідини називають ламінарним. Передача теплоти в ламінарному шарі рідини відбувається шляхом теплопровідності. Такий рух рідини спостерігається або на невеликих швидкостях або до досягнення відстані .

Наступний режим руху рідини називають перехідним. При збільшенні довжини пластини або швидкості потоку товщина ламінарного шару настільки збільшується, що він стає нестійкий. Тобто, в ньому починають утворюватися збурення. При цьому загальна товщина пограничного шару продовжує збільшуватися, а товщина ламінарного прошарку – зменшуватися. За рахунок перемішування рідини відбувається поступова інтенсифікація теплообміну.

При подальшому рухові рідини вздовж пластини товщина пограничного шару залишається незмінною. Спостерігається інтенсивне поперечне перемішування рідини і відбувається вирівнювання швидкостей всередині турболізованого шару рідини. Характерним є те, що ламінарний прошарок рідини біля поверхні пластини хоч і стає тоншим, але продовжує залишатися. Отже, можна говорити про два шляхи передачі теплоти: шляхом теплопровідності в ламінарному прошарку та шляхом перемішування в турбулентному пограничному шарі. Збільшення швидкості потока призводить до зменшення ламінарного прошарку та до інтенсифікації процесів теплообміну.

Процес тепловіддачі виражається рівнянням Ньютона: кількість теплоти, що передається від теплообмінної поверхні до навколишнього середовища (або навпаки) прямо пропорційна площі поверхні теплообміну, різниці температур поверхні та середовища і часу, протягом якого діє теплообмін, Дж

(1)

де коефіцієнт тепловіддачі, або теплообміну, Вт/м^2ОС.

Фізичний зміст коефіцієнта тепловіддачі полягає в тому, що він показує яка кількість тепла передається 1м² поверхні за 1 сек при різниці температур в 1^ОС. Для різних способів підводу тепла і для різних теплоносіїв α може змінюватися в дуже широких межах 0÷ 10000 Вт/м^2ОС. Головними факторами впливу є: фізичні властивості рідини, що омиває поверхню (густина, в’язкість, теплоємність, теплопровідність), форми, розмірів та розташування у просторі поверхні, природи виникнення руху середовища, швидкості руху.

Як правило коефіцієнт тепловіддачі визначають експериментальним шляхом на невеликих лабораторних моделях, оскільки визначати його на реальних теплообмінних апаратах набагато складніше. Відмінність у розмірах та умовах теплообміну можна врахувати лише користуючись теорією подібності.