Конвективный теплообмен. Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена

ЛЕКЦИЯ 17. Конвективный теплообмен

17.1. Общие сведения

Конвективным теплообменом называют процесс теплообмена при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Под конвекцией теплоты понимают перенос тепла при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвенция возможна лишь в движущейся среде, в которой перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно происходит соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости или газа, различают вынужденную и естественную конвекции. Вынужденная конвекция происходит под воздействием внешних сил – разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором, мешалкой, ветром или иным каким-либо источником. Естественная конвекция возникает вследствие изменения плотности самой жидкости или газа в результате термического расширения. Подъемная сила, обусловливающая свободное движение частиц или естественную конвекцию, выражается величиной , а ускорение, вызываемое этой силой, равно  ( и  – плотности жидкости в двух ее точках при температурах  и ;  – ускорение силы тяжести). Если объемный коэффициент температурного расширения жидкости или газа b, то

                        .                      (17.1)

Конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью соприкасающегося с ними твердого тела носит название конвективной теплоотдачи или просто теплоотдачи. Следовательно, конвективная теплоотдача является результатом двух параллельно протекающих процессов переноса тепла: собственно теплопроводности и теплообмена, обусловленного движением жидкости или газа. В зависимости от свойств последних и характера их движения вклад каждого из двух процессов может быть различным, но при всех условиях интенсивность теплообмена неразрывно связана с характером движения жидкости или газа. В связи с этим различают теплоотдачу при свободной или естественной конвекции, при ламинарном и турбулентном режимах течения.

При свободной конвекции более нагретые частицы, имеющие меньшую плотность, поднимаются вверх, их сменяют боле холодные частицы, которые, опускаясь вниз и нагревшись, также движутся кверху; в результате возникают конвективные токи. В этом случае теплоотдача зависит от форм и размеров твердой поверхности, температуры жидкости (газа), коэффициента объемного расширения b и других физических свойств (r, l, μ, ), а также от ускорения силы тяжести. Вместе с тем скорость движения жидкости не оказывает влияния на теплоотдачу, так как она является функцией независимых переменных, указанных выше.

При ламинарном режиме движения теплоотдача определяется как вынужденным, так и свободным движением потоков жидкости или газа. Если естественная конвекция отсутствует (либо ею можно пренебречь), то перенос тепла по нормали к поверхности осуществляется лишь за счет теплопроводности жидкости (газа). При наличии же свободной конвекции неизбежно возникает турбулизация потока и перенос тепла усиливается. Наибольшая турбулизация возникает при вертикальном положении твердой поверхности и противоположном направлении свободного и вынужденного движений. При горизонтальном положении поверхности свободное движение жидкости или газа создает довольно сильную турбулизацию, независимо от направления теплового потока.

При турбулентном режиме движения жидкости или газа тепловой поток, по аналогии с гидродинамическим, разделяют на две части: пограничный тепловой слой и внешний поток, или ядро потока. В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движутся жидкость или газ и чем энергичнее осуществляется перемешивание их частиц. Механизм переноса тепла в ядре потока при турбулентном течении характеризуется интенсивным перемешиванием за счет турбулентных пульсаций, что приводит к выравниванию температур в ядре до некоторого среднего значения t_ср. Таким образом, перенос тепла в ядре потока определяется прежде всего характером движения теплоносителя, завися также от его теплофизических свойств.