Теория теплообмена. Теплопроводность. Основные положения теории теплопроводности. Теплопроводность при стационарном режиме. Теплопроводность при нестационарном режиме. Теплообмен при фазовых превращениях, страница 26

Если в единицу времени через единицу контрольной поверхности нормально к ней проходит масса жидкости , кг/(м²·с), где  – скорость, r – плотность потока среды, то вместе с ней переносится плотность теплового потока:

                                                     , Вт/м².

В результате теплопроводности также осуществляется перенос тепла:

                                                     , Вт/м².

Тогда конвективный теплообмен будет описываться уравнением:

                                            ,

где    – локальное (местное) значение плотности теплового потока за счет конвективного теплообмена.

При расчетах применяют уравнение Ньютона-Рихмана:

                      , или .

По природе возникновения различают свободную и вынужденную конвекцию.

Свободным называется движение, происходящее вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц среды в поле тяжести. Свободная конвекция определяется тепловыми условиями процесса и зависит от рода жидкости, разности температур, напряженности гравитационного поля и объема пространства, в котором протекает процесс.

Вынужденная конвекция возникает под действием посторонних побудителей (насоса, вентилятора).

В общем случае вынужденная конвекция сопровождается свободным движением. Его доля тем больше, чем меньше скорость вынужденного движения и чем больше разность температур частиц среды.

Процесс теплоотдачи связан с режимом движения среды. Он может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном режиме течение спокойное, струйчатое, при турбулентном – вихревое, неупорядоченное.

В 1883 г. О. Рейнольдс установил безразмерный комплекс, которым описывается режим течения. Он называется критерием или числом Рейнольдса и определяется по формуле:

                                                             ,

где   w – скорость течения среды, м/с;

        l – гидравлический радиус, м;

        n – коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Для трубы . В других случаях l определяют как отношение сечения потока к смоченному периметру стенки.

Переход из одного режима течения в другой оценивается критическим числом Рейнольдса:

                                                     .

Противодействуют потоку среды силы вязкости между слоями. По закону Ньютона касательная сила S на единицу поверхности, ориентированной по нормали к направлению потока, определяется по выражению:

                                                            ,

где   m – коэффициент динамической вязкости, Па·с.

Коэффициент кинематической вязкости определяется по формуле:

                                                           , м²/с.

Для капельных жидкостей m и n не зависят от давления, но существенно уменьшаются при повышении температуры. У газов вязкость увеличивается при повышении температуры. Повышение давления увеличивает вязкость у газов в меньшей степени.

При течении жидкости или газа, обладающих вязкостью, наличие внутреннего трения приводит к диссипации энергии, вследствие чего происходит нагрев среды.

На теплоотдачу оказывает влияние сжимаемость жидкостей. Изотермической сжимаемостью или коэффициентом сжатия при  называется величина

                                                          ,

представляющую отношение изменения плотности среды к плотности при изменении давления.

Для капельных жидкостей e очень мала: так, для воды  1/Па. Поэтому для этих жидкостей изотермической сжимаемостью можно пренебречь. Для газов e гораздо выше. Так, для воздуха  1/Па, что в 20000 раз больше, чем у воды. Фактор сжимаемости газов при изменении давления особо учитывается при больших скоростях движения потока. Если скорость газа меньше четвертой части скорости звука, то для газов можно применять законы движения и теплоотдачи, как и для несжимаемой жидкости.

Для теплоотдачи имеет значение тепловое расширение жидкости, которое характеризуется коэффициентом объемного расширения при :

                                                    , 1/K.