Физические особенности процесса теплоотдачи

Процесс теплоотдачи – это конвективный перенос теплоты между поверхностью и омывающей ее средой. Его принято описывать с помощью уравнения Ньютона-Рихмана: количество теплоты, передаваемой с поверхности площадью dF за промежуток времени dτ в среду с температурой t_ж ,определяется выражением

Уравнение Ньютона-Рихмана для теплового потока при постоянных a, t_с , t_ж имеет вид

(6.8)

для плотности теплового потока оно запишется так:

(6.9)

Явление конвективного переноса теплоты наблюдается лишь в движущихся средах.

Факторы, влияющие на теплоотдачу:

1. Природа возникновения движения (свободное или вынужденное).

Свободное движение,илиестественнаяконвекциявозникаетпод действием разности плотностей холодных и нагретых частиц жидкости или газа (подъемно – опускное движение у поверхности тела).

Вынужденное движение (вынужденная конвекция) возникает под действием разности давлений, создаваемой насосом, компрессором и т.д. В некоторых случаях, наряду с вынужденным, одновременно может развиваться свободное движение. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур в отдельных объемах жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.

2. Режим течения жидкости (ламинарный, турбулентный, переходный).

При ламинарном режиме частицы жидкости движутся послойно, не перемешиваясь (рис. 6.1), перенос теплоты от стенки к жидкости осуществляется теплопроводностью (q_л=q_ТП). Турбулентный режим характеризуется непрерывным перемешиванием всех слоев жидкости (рис. 6.2).

При этом у поверхности стенки образуется ламинарный подслой жидкости толщиной d_лп. Перенос теплоты от стенки к жидкости с турбулентным течением осуществляется теплопроводностью и конвекцией (q_т=q_тп+ q_к).

Режим движения жидкости, промежуточный между ламинарным и турбулентным, называется переходным.

3. Гидродинамический и тепловой пограничный слои

При любом режиме движения частицы жидкости, непосредственно прилегающие к твердой поверхности, как бы прилипают к ней. В результате вблизи обтекаемой поверхности под действием сил вязкого трения образуется плоский слой заторможенной жидкости, в пределах которого скорость жидкости изменяется от нуля (на поверхности тела) до скорости невозмущенного потока (вдали от тела). Этот слой заторможенной жидкости называется гидродинамическим пограничным слоем.

На рис. 6.3 дана схема образования гидродинамического пограничного слоя при продольном омывании поверхности потоком жидкости с постоянной скоростью ω₀.

На начальном участке поверхности, как правило, течение жидкости ламинарное (ламинарный пограничный слой). По мере удаления от входной кромки толщина гидродинамического пограничного слоя δ увеличивается. Утолщение пограничного слоя происходит с увеличением вязкости жидкости. Рост толщины пограничного слоя приводит к уменьшению его устойчивости и на определенном расстоянии от входной кромки он переходит в турбулентный. Убывание скорости в турбулентном пограничном слое можно охарактеризовать как умеренное, в ламинарном подслое – резкое.

Гидродинамический пограничный слой (слой заторможенной жидкости), режим течения жидкости в нем влияют на коэффициент теплоотдачи. Чем меньше толщина гидродинамического пограничного слоя δ, тем выше коэффициент теплоотдачи .

Аналогично понятию гидродинамического пограничного слоя существует понятие теплового пограничного слоя. Это слой жидкости (δ_т), прилегающий к твердой поверхности, в пределах которого температура жидкости изменяется от температуры стенки (t_с) до температуры потока вдали от поверхности (t_ж).

В общем случае толщина гидродинамического (δ) и теплового (δ_т) пограничных слоев не совпадает и только для газов практически одинакова. Соотношение толщины теплового и гидродинамического пограничных слоев определяется значением числа .

Дифференциальное уравнение теплоотдачи (6.1) описывает передачу тепла в тонком пристеночном слое жидкости. В первом приближении градиент температуры в тепловом пограничном слое можно выразить так:

тогда коэффициент теплоотдачи определится соотношением

т.е. коэффициент теплоотдачи прямо пропорционален теплопроводности жидкости и обратно пропорционален толщине теплового пограничного слоя.