Теория теплообмена. Теплопроводность. Основные положения теории теплопроводности. Теплопроводность при стационарном режиме. Теплопроводность при нестационарном режиме. Теплообмен при фазовых превращениях, страница 33

Рис. 56. Зависимость Re_кр от степени турбулентности потока

В процессе теплообмена, когда температура стенки t_c отличается от температуры t_ж, под действием температурного напора формируется пограничный тепловой слой. Характер распределения температуры в тепловом пограничном слое зависит от характера режима течения жидкости в гидродинамическом пограничном слое.

Рис. 57. Тепловой пограничный слой

Тепловой пограничный слой – это слой жидкости у стенки, в пределах которого температура изменяется от значения, равного температуре стенки t_c, до значения, равного температуре жидкости t₀. Внутри теплового слоя справедливо условие , а на внешней границе и вне слоя . Все изменения температуры сосредоточиваются в сравнительно тонком слое, прилегающем к стенке.

При ламинарном пограничном слое отношение толщины динамического d_л и теплового D_л слоев зависит только от числа Прандтля, т. е. от теплофизических свойств теплоносителя. Это значит, что зависимость D_л от скорости w₀ и расстояния x сохраняется такой же, как и для динамического слоя. При  толщины слоев оказываются численно равными: . Перенос тепла между слоями жидкости, движущимися вдоль поверхности, осуществляется теплопроводностью.

При турбулентном пограничном слое основное изменение температуры происходит в пределах тонкого вязкого подслоя около поверхности, через который тепло переносится также только теплопроводностью. В турбулентном ядре пограничного слоя из-за интенсивного перемешивания жидкости изменение температуры незначительно, и поле температур имеет ровный пологий характер.

Рис. 58. Пограничный слой

Таким образом, при ламинарном и турбулентном режиме движения жидкости в пограничном слое между распределением скоростей и температур имеется качественное сходство.

Процесс усложняется с увеличением разности температур , т. к. при этом возникает изменение физических параметров теплоносителя: вязкость, теплопроводность, теплоемкость в разных точках в пределах пограничного слоя. В итоге интенсивность теплоотдачи меняется.

В результате обобщения опытных данных получены следующие зависимости.

При ламинарном режиме в пограничном слое локальный (местный) коэффициент теплоотдачи определяется критериальным уравнением:

                                         ;

среднее значение коэффициента теплоотдачи:

                                          .

При турбулентном режиме в пограничном слое локальный a определяется уравнением:

                                         ;

среднее значение a:

                                         .

В этих соотношениях:

                                                ; ;

                                                ; ;

                                                    ; .

Индексы «ж» и «с» указывают на то, что физические свойства теплоносителя относятся к t_ж и t_c. Множитель  учитывает поправку изменения физических свойств теплоносителя в связи с изменением температуры в пограничном слое, т. е является характеристикой зависимости a от направления и величины теплового потока. При нагревании капельной жидкости (прямое направление) , при охлаждении (обратное направление) .

Для воздуха , поэтому формулы упрощаются:

для ламинарного режима в пограничном слое:

                                                      ;

для турбулентного:

                                                     .

Формулы применимы, когда температура пластины постоянна.

Рис. 59. Изменение локального значения a_лок по длине пластины

Уменьшение a_лок на начальном участке пластины связано с развитием и увеличением толщины ламинарного слоя: . В переходной зоне 2 увеличение a_лок связано с появлением турбулентного перемешивания. В зоне 3 a_лок плавно снижается вследствие постепенного падения температурного напора, здесь .

6.3. Теплоотдача при течении жидкости в трубах

6.3.1. Гидродинамические условия развития процесса

При течении жидкости в трубе различают два режима течения: ламинарный и турбулентный.

                                                 ; .