Конвективний теплообмін

Всі випадки конвективного теплообміну можна класифікувати наступним чином: А) вільна конвекція в обмеженому і необмеженому об’ємі; вимушена конвекція;

Б) ламінарний режим, турбулентний режим.

В) повздовжнє омивання пластин, труб; поперечне омивання труб

Г) теплообмін в однофазному середовищі; при кипінні, при конденчації та в двохкомпонентних середовищах

Д) тепловіддача: розріджених газів, металів, при витіканні газу з великими швидкостями, при наявності внутрішніх джерел теплоти.

Для кожного випадку розроблені свої критеріальні рівняння. які дозволяють визначити коефіцієнт конвективного теплообміну.

Розглянемо вільну конвекцію біля нагрітої вертикальної пластинки

Біля нагрітої поверхні повітря нагрівається, розширяється і підіймається вгору. При цьому біля поверхні утворюється граничний шар повітря в якому відбуваються головні процеси тепло і масопереносу.

Інтенсивність процесів вільної конвекції для любих форм поверхонь та середовищ в загальному вигляді характеризується критерієм Грасгофа або добутком критерію Гросгофа на критерій Прандтля . Критеріальне рівняння, яке описує процеси теплообміну при ламінарному режимі руху в довільному перерізі (х) має вигляд:

(3)

Після підстановки виразів для критеріїв Нуссельта і Грасгофа, можемо визначити локальний коефіцієнт конвективного теплообміну:

(4)

Для повітря з температурою 20^оС цю формулу можна дещо спростити. Враховуючи, що: l = 0, 0257; b = 1/(273+20); g = 9, 81; n = 15, 06× 10^-6; Pr = 0, 709 одержимо

. (5)

Для знаходження середнього коефіцієнта конвективного теплообміну біля поверхні висотою l необхідно проінтегрувати :

(6)

Після введення спрощуючого припущення, що , одержимо:

(7)

Перехід від ламінарного до турбулентного режиму при температурі повітря 20^оС відбувається на відстані , якій відповідає значення критерію Гросгофа . Підставивши це значення в критерій Гросгофа отримаємо значення

(8)

Підставивши значення в вираз (7) одержимо середнє значення

. (9)

Це значення можна застосовувати в межах всієї області ламінарного режиму.

Аналогічним шляхом знаходять коефіцієнт конвективного теплообміну біля вертикальної нагрітої поверхні для турбулентного режиму. В цьому разі критеріальне рівняння має вигляд:

(10)

Звідки, при температурі 20^оС коефіцієнт конвективного теплообміну знаходимо за формулою: . Оскільки – не залежить від параметра (х) то

(11)

Саме ця залежність і використовується в переважній більшості розрахунків, оскільки область ламінарного режиму порівняно не велика.

Одержані нами формули характерні для плоских нагрітих поверхонь і використовуються переважно при розгляді теплообміну біля стін, вікон та інших поверхонь в приміщеннях.