Основные процессы передачи тепла. Конвективный теплообмен

Жидкие или газообразные тела, вступающие в контакт с твердым телом, находящимся при другой температуре, либо от­дают ему тепло, либо получают тепло от него. Такое явление пе­редачи тепла называется теплоотдачей или конвективным теплообменом. При этом могут иметь место два рода движения жидкости около стенки – свободное и вынужденное.

У теплых жидкостей и газов плотность меньше, чем у холодных, они оказываются легче и поднимаются наверх. При этом движущийся поток жидкости или газа переносит с собой тепло (свободная конвекция). Если ско­рость потока жидкости или газа определяется внешним воздейст­вием (насос, вентилятор и т.п.), то такая конвекция называется принудительной.

а) б)

Рис. 1.3. Модель теплоотдачи:а) схема теплоотдачи; б) - эпюра температур; 1 - жидкость или газ; 2 - твердое тело.

Тепловой поток, проходящий через поверхность стенки определяется формулой:

, Вт,

где - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К);

F - площадь поверхности, через которую происходит те­плоотдача, м²;

- разность температур жидкости и стенки, К.

Для стационарной теплоотдачи q = const.

Численные значения коэффициента теплоотдачи зависят от свойств жидкости или газа, скорости их движения относительно твердого тела, а также от обработки его поверхности, но не от его состава.

Таблица 1.2 Коэффициент теплоотдачи , Вт/(м² К)

Спокойная вода - металлическая стенка	350-580
Текущая вода - металлическая стенка	350 + 2100
Кипящая вода - металлическая стенка	3500-5800
Водяной пар - металлическая стенка
Воздух - гладкая поверхность	5,6+4

где v - скорость, м/с.

Если два жидких или газообразных тела, имеющих раз­личную температуру, разделены твердым телом (плоской стенкой), то процесс передачи тепла происходит в три стадии:

■ теплоотдача от первой среды к стенке;

■ теплопроводность через стенку;

■ теплоотдача с поверхности стенки ко второй среде.

С учетом стационарности процесса передачи тепла на всех участках, т.е. q = const, можно записать

F = F / δ = F

При этом сумма всех разностей температур равна общей разности температур

Из этих двух выражений следует

Величина, обратная выражению в скобках, называется коэффициентом теплопередачи к:

а) б)

Рис. 1.4. Модель теплопередачи:

а) схема теплопередачи; б) - эпюра температур; 1,3- жидкость или газ;

2 – твердое тело (стенка).

Известно, что существуют три режима течения жидкости – ламинарный, переходный и турбулентный, каждый из которых характеризуется своей моделью передачи теплоты и, соответственно, своими зависимостями.

Ниже, в качестве примера, приведены три формулы, определяющие зависимости конвективного теплообмена для трех режимов обтекания жидкости поперечной трубы:

где = ℓ/ λ - критерий Нуссельта, определяющий интенсивность теплообмена на границе стенка-жидкость;

= vℓ / - критерий Рейнольдса, определяющий характер течения жидкости в зависимости от сил трения;

= / a -критерий Прандтля, определяющий физические свойства жидкости.