КОНВЕКТИ́ВНЫЙ ТЕПЛООБМЕ́Н
-
Рубрика: Технологии и техника
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
КОНВЕКТИ́ВНЫЙ ТЕПЛООБМЕ́Н, процесс переноса энергии (теплоты) между поверхностью конденсированной фазы (обычно твёрдой) и движущейся жидкостью. В теории теплообмена термином «жидкость» обозначают как капельную жидкость, так и газ. К. т. всегда включает молекулярный перенос энергии (теплопроводность) и собственно конвекцию, т. е. перенос энергии, вызванный макроскопич. перемещением в пространстве объёмов жидкости. Совместное действие двух механизмов переноса теплоты обусловливает зависимость К. т. как от режима течения жидкости (ламинарного или турбулентного), так и от её теплофизич. свойств (коэф. теплопроводности, теплоёмкость и др.). Различают К. т. при естественной (свободной) и вынужденной конвекции. Если К. т. сопровождается фазовыми переходами (конденсация пара, кипение жидкости), то, в отличие от К. т. в однофазной среде, его называют К. т. при фазовых превращениях. Интенсивность теплообмена в этом случае обычно слабо зависит от скорости течения. В учебной и науч. лит-ре обычно анализируют отдельно К. т. в однофазной среде и теплообмен при фазовых превращениях (см. Теплообмен). К. т. на поверхности капельной жидкости обычно сопровождается переносом массы одного или нескольких химич. компонентов через межфазную границу, т. е. массообменом. Процесс совместного переноса теплоты и массы называют тепломассообменом.
При анализе К. т. различают задачи внешние (обтекание тел потоком жидкости) и внутренние (течение жидкости в каналах, теплообмен в камерах поршневых машин и др.). Для внешних задач из-за невозможности определения расхода жидкости, участвующей в теплообмене, тепловой баланс не составляется, для внутр. задач он – обязательная часть анализа. Целью теоретич. анализа К. т. является расчёт температурного поля в жидкости, для чего необходимо решить систему дифференциальных уравнений сохранения массы, импульса и энергии. Аналитич. решения получены лишь для простой геометрии обтекаемых тел и только для ламинарных течений. В инж. задачах определяют коэф. теплоотдачи (КТО) – плотность теплового потока при температурном напоре (разности температур поверхности и жидкости), равном 1 К. КТО был введён как коэф. пропорциональности $α$ в соотношении, называемом законом Ньютона – Рихмана:$$q=αΔT, $$где $q $ – плотность теплового потока на поверхности, Вт/м2, $ΔT=T_п-T_ж$ – температурный напор, К. Если поле темп-р определено теоретически, то КТО (с учётом закона теплопроводности Фурье) вычисляют как $\alpha=|(\lambda/\Delta T) (\partial T/\partial y)_{y=0}|$, где$\lambda$ – коэф. теплопроводности жидкости, Вт/мК, $y $ – координата, отсчитанная от поверхности. КТО является гидродинамич. характеристикой жидкости; при идентичных гидродинамич. условиях КТО выше у жидкостей с большей теплопроводностью.
Для расчёта интенсивности К. т. обычно используют уравнения подобия, в которых КТО (безразмерный) представляется в виде Нуссельта числа или числа Стэнтона ($Nu=αl/λ, St=α/(ρc_pu_0 $), где $ρ, c_p$ – плотность и изобарная теплоёмкость жидкости, $l $ – характерный линейный размер области, $u_0 $ – характерная скорость жидкости). Для ряда задач К. т. при ламинарном течении уравнения подобия получены аналитически.
Для изотермич. плоской пластины $Nu_x=0,332Re_x^{½}Pr^{1/3}$, где Рейнольдса число ($Re_x=pu_0x/μ$) характеризует соотношение сил инерции и вязкости в потоке жидкости; число Прандтля ($Pr=μc_p/λ$ ) – безразмерная характеристика теплофизич. свойств жидкости; $μ$ – динамич. вязкость жидкости. В числе $Nu_x l=x, $ где $x$ – расстояние от передней кромки обтекаемой пластины. Это уравнение определяет локальный КТО, зависящий только от гидродинамич. параметров и свойств жидкости. По длине пластины КТО уменьшается с ростом толщины ламинарного пограничного слоя. При $Re_x≈3·10^5 $ режим течения становится турбулентным, КТО сначала резко растёт, но далее снижается по мере возрастания толщины турбулентного пограничного слоя.
При ламинарном течении жидкости в каналах, начиная от входа, на стенках формируются динамический и температурный пограничные слои, КТО уменьшается по длине как $x$–½ (гидродинамич. начальный участок) или $x$–1/3 (термич. начальный участок), где $x$ – расстояние от начала участка. За пределами начальных участков устанавливается стабилизиров. теплообмен, когда $Nu$ становится постоянным, не зависящим от $Re$ (в каналах ламинарное течение сохраняется при значениях $Re$ меньше критического; $Re_{кр}≈2300 $).
При турбулентном течении в трубах практически важен режим стабилизиров. К. т., поскольку из-за высокой интенсивности турбулентного переноса импульса и энергии формирование профилей скорости и темп-ры происходит на коротких расстояниях от входа в трубу. Общий вид уравнения подобия для стабилизиров. К. т. в трубах: $Nu=f (Re, Pr)$. Надёжные расчётные уравнения получены на основе приближённых моделей и обобщения результатов опытных исследований и численного эксперимента (численного решения дифференциальных уравнений сохранения). Общая форма уравнения подобия справедлива и для др. задач К. т. при турбулентном течении, напр. для среднего КТО при поперечном обтекании труб.
При свободной конвекции скорость течения зависит от ускорения свободного падения $g$, температурного напора $ΔT$, коэф. объёмного расширения жидкости $β$, кинематич. вязкости жидкости $ν=μ/ρ$ и характерного размера поверхности теплообмена $l$. Интенсивность К. т. при свободной конвекции определяется критерием (числом) Грасгофа $Gr=gβΔTl^3/ν^2 $. Общая форма уравнения подобия для свободной конвекции: $Nu=f (Gr, Pr)$, его конкретные варианты для разл. геометрии и пространственной ориентации поверхности и разл. режимов свободноконвективного течения получены на основе модельных представлений и обобщения результатов физических и численных экспериментов.
Процессы К. т. широко распространены в технике. Они являются неотъемлемой частью большинства пром. технологий (в энергетике, нефтехимии, пищевой пром-сти и т. п.), составляют осн. принцип функционирования теплообменников разл. типа, в значит. мере определяют схемы и конструктивные решения в системах тепловой защиты и жизнеобеспечения летательных аппаратов и др. транспортных средств. В природе совместные процессы конвективного тепло- и массообмена определяют взаимодействие атмосферы и океана.