Теплоотдача при свободном движении жидкости
Свободное движение возникает в связи с изменением плотности жидкости в результате нагревания. Свободная конвекция имеет место у нагретых стен печей, трубопроводов, у батарей центрального отопления, в холодильниках при охлаждении продуктов и др. Свободный теплообмен возникает в неравномерно нагретом газе или жидкости, находящихся как в ограниченном, так и в неограниченном пространстве. Если тело имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, то слои жидкости, нагреваясь от тела, становятся легче и под действием возникающей подъемной силы поднимаются вверх, а на их место поступают из окружающего пространства более холодные слои.
Рассмотрим свободный теплообмен в неограниченном пространстве у вертикальной плиты или трубы (см. рисунок).
Возникающее свободное движение жидкости у вертикальных поверхностей может быть как ламинарным, так и турбулентным. Характер движения жидкости в основном зависит от температурного напора Dt = tс – tж,где tс –температура поверхности; tж – температура неподвижной жидкости вдали от поверхности. При малых значениях температурного напора вдоль всей поверхности наблюдается ламинарное движение жидкости. При больших температурных напорах преобладает турбулентный режим движения. В развитии свободного движения форма тела играет второстепенную роль. Основное значение для свободного движения жидкости имеет длина поверхности, вдоль которой происходит теплообмен.
У нижней части стенки в поднимающейся с небольшой скоростью жидкости наблюдается ламинарное движение с постепенно увеличивающейся толщиной ламинарного пограничного слоя. На некотором расстоянии от нижнего конца стенки по ее высоте ламинарный пограничный слой начинает разрушаться, возникает локонообразное движение, которое постепенно усиливается и переходит в развитое турбулентное движение с ламинарным подслоем в непосредственной близости к поверхности трубы. В соответствии с изменением толщины пограничного слоя и характера движения жидкости у поверхности изменяется и коэффициент теплоотдачи. По мере увеличения ламинарного пограничного слоя a уменьшается. В области локонообразного движения коэффициент теплоотдачи постепенно возрастает и принимает наибольшее постоянное значение в области развитого турбулентного движения жидкости. На рисунке показана зависимость a от высоты стенки.
Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при свободном движении жидкости вдоль вертикальных стенок можно использовать следующие уравнения:
ламинарный режим – 103 <(Gr·Pr)ж < 109:
Nuж,l = 0,75·(Grж,l ·Prж)0,25×et;
турбулентный режим – (Gr·Pr)ж > 109:
Nuж,l = 0,15·(Grж,l ·Prж)0,33×et.
В этих формулах за определяющую температуру принята температура жидкости вдали от нагретой поверхности, за определяющий размер – длина поверхности, отсчитываемая от начала теплообмена.
На рисунке показан характер свободного движения жидкости около горизонтальных труб различных диаметров. У труб малого диаметра восходящий поток сохраняет ламинарный режим даже вдали от трубы. При большом диаметре переход в турбулентный режим может происходить в пределах поверхности самой трубы.
Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при свободном ламинарном движении жидкости около горизонтальных труб можно использовать формулу
Nuжd = 0,5·(Grж,d ·Prж)0,25×et.
В этой формуле за определяющую температуру принята температура жидкости вдали от трубы, за определяющий размер – диаметр трубы.