Конвективный теплообмен в однородной среде. Cвободная (естественная) и вынужденная конвекции. Физические свойства жидкостей

Конвективный теплообмен в однородной среде

• Конвективный теплообмен – это совместный перенос теплоты
• теплопроводностью и конвекцией. Конвекция может иметь место
• в жидкостях, газах и расплавленных металлах.
• Плотность конвективного теплового потока определяется по
• уравнению Ньютона – Рихмана,

(1)

где коэффициент конвективной теплоотдачи;

температуры стенки и жидкости;

разность температур стенки и жидкости.

Различают свободную (естественную) конвекцию – движение жидкости под действием разности плотностей ее нагретых и холодных слоев и вынужденную – под воздействием внешних сил: насоса для жидкостей, вентилятора или компрессора для газов.

Cвободная (естественная) и вынужденная конвекции

Физические свойства жидкостей

• В качестве теплоносителей в настоящее время применяют воз-
• дух и другие газы, воду, масла, спирты, жидкие металлы и т. д.
• Процесс теплоотдачи при этом существенно зависит от физиче-
• ских свойств теплоносителя. К ним относятся:

коэффициент теплопроводности;

плотность;

массовая, изобарная теплоемкость;

коэффициент температуропроводности.

Из-за вязкости жидкости между ее слоями, движущимися с разной скоростью, возникает трение. Согласно закону Ньютона каса- тельная сила трения,

Динамическая и кинематическая вязкости жидкости

• где

коэффициент динамической вязкости, размерность

которого из предыдущей формулы:

Наряду с динамической вязкостью в уравнениях гидрогазодинамики и тепломассообмена часто исполь- зуется коэффициент кинематической вязкости жидкости:

До введения международной системы единиц «СИ» кинематическая вязкость измерялась в Стоксах и сантиСтоксах:

На преодоление вязкостных сил расходуется часть кинетической энергии жидкости, которая переходит в тепловую энергию (диссипа- ция энергии). С увеличением скорости жидкости диссипация энергии возрастает.

Коэффициент объемного (температурного) расширения жидкости

• При свободной (естественной) конвекции существенное значе-
• ние имеет коэффициент объемного (температурного) расширения
• жидкости, 1/К:

то есть относительное изменение объема жидкости при увеличении ее температуры на 1 К. Для идеальных газов это:

Гидродинамический пограничный слой

Гидродинамический пограничный слой

• Гидродинамический пограничный слой – это тонкий слой жидко-
• сти у поверхности, в котором скорость изменяется от 0 на поверх-
• ности (условие прилипания) до

на границе погранслоя.

На предыдущем слайде – при:

эпюра скоростей «невозмущенной» жидкости;

ламинарный пограничный слой (зона 1);

турбулентный пограничный слой (зона 2);

ламинарный подслой (зона 3).

Для движения жидкости в трубах где меньшие

значения относятся к шероховатым трубам, а большие – к гладким. Внутри пограничного слоя справедливо условие а вне

его то есть

Режимы движения жидкости

• Конвективная теплоотдача существенно зависит от режима дви-
• жения жидкости (ламинарный, турбулентный). При ламинарном
• (слоистом) движении слои жидкости не перемешиваются, поэтому
• теплота передается от слоя к слою теплопроводностью. При тур-
• булентном движении к теплопроводности добавляется конвекция.
• Доля теплопереноса конвекцией возрастает с увеличением скоро-
• сти жидкости.
• Внутри пограничного слоя движение жидкости ламинарное, по-
• этому его называют ламинарным пограничным слоем, за предела-
• ми пограничного слоя – движение турбулентное (вихревое).
• Так как скорость жидкости в пограничном слое изменяется пла-
• вно и асимптотически приближается к

на границе пограничного

слоя, то его толщину трудно определить.

Гидродинамический и тепловой пограничные слои

• Толщиной пограничного слоя принято считать такое расстояние
• от поверхности, на котором скорость жидкости

будет отли-

чаться от скорости на заранее заданную величину, например,

на 1 %.

В пограничном слое может быть и турбулентное движение. При некотором критическом расстоянии от начала пластины тол-

щина пограничного слоя увеличивается до такой величины, при ко- торой слой становится неустойчивым и движение в пограничном слое «срывается» в турбулентное (турбулентный пограничный слой).

Но и в турбулентном пограничном слое имеется очень тонкий