КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Как было отмечено ранее, конвективный теплообмен (или теплоотдача) представляет собой процесс передачи энергии на микроуровне, осуществ­ляемый между какой-нибудь твердой поверхностью и омывающей ее средой (жидкостью или газом). Этот вид теплообмена встречается во всех тепло­вых машинах и теплообменник аппаратах.

Изучают и рассчитывают конвективный теплообмен на основе закона Ньютона. В соответствии с этим законом

<р = а(Тср — Тс.) [!£], (14.17)

Где а — коэффициент теплоотдачи; Тср, Тст — температура среды и темпе­ратура твердой поверхности (стенки).

Соответственно, можно записать, что

Ф = а • (Тср — Тст) • 5, [Вт], (14.18)

Q = a- (Тср — Гст) • St, [Дж]. (14.19)

Решив уравнение (14.17) относительно коэффициента теплоотдачи а, получим

Дж_ •rpamJ

Из равенства (14.20) видно, что коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается средой единице площади твердой поверхности в единицу времени при разнице температур среды и стенки в один градус.

Величина коэффициента теплоотдачи зависит от большого числа фак­торов, определяющих интенсивность конвективного теплообмена. Эти фак­торы условно можно разделить на следующие основные группы:

1. Зависящие от природы возникновения движения среды относитель­но твердой поверхности.

В зависимости от причины, вызывающей движение среды, различают два вида движения — свободное и вынужденное.

Свободное движение, называемое иначе естественной конвекцией, вызы­вается подъемной силой, обусловленной разностью плотностей холодных и нагретых частиц среды. Интенсивность свободного движения зависит от природы жидкости или газа, разности температур между отдельными частицами среды и объема пространства, в котором протекает процесс.

Вынужденное движение среды, обуславливающее вынужденную кон­векцию, вызывается работой внешних агрегатов (насосов, вентиляторов и тому подобных). Движущая сила при этом виде движения возникает вследствие разности давлений, устанавливающихся на входе и выходе из канала, по которому перемещается среда.

2. Зависящие от режима движения жидкости.

Движение жидкости может иметь ламинарный (от латинского сло­ва Lamina — полоска, слой) или турбулентный (от латинского слова Turbulentus — бурный, беспорядочный) характер. В первом случае частицы движущейся среды в форме отдельных не смешивающихся струй следуют очертаниям канала или стенки.

Турбулентный режим движения характеризуется непостоянством ско­рости движения частиц среды в рассматриваемой точке пространства.

3. Зависящие от физических свойств среды.

TCD — Тст Lc-m Град]

На интенсивность процесса теплоотдачи непосредственно влияют следу­ющие физические параметры среды: теплопроводность, удельная теплоем­
кость, плотность, вязкость и температуропроводность (характеризующая скорость выравнивания температуры в различных точках тела).

4. Зависящие от формы, размеров и состояния поверхности, омывае­мой жидкостью или газом.

Обычно поверхности имеют форму плит или труб, которые могут располагаться вертикально, горизонтально или наклонно. Каждая из этих форм поверхности создает специфические условия для теплообмена между поверхностью стенки и средой. Для процесса теплоотдачи важно, переме­щается ли среда внутри замкнутого пространства или твердая поверхность со всех сторон омывается средой. Большое значение имеет также состояние поверхности, оцениваемое ее шероховатостью.