ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Передача тепла конвекцией (конвективный теплообмен) из "Основные процессы и аппараты химической технологии Издание 8" Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движется вся масса жидкости и чем энергичней осуществляется перемешивание ее частиц. Таким образом, конвекция связана с механическим переносом тепла и сильно зависит от гидродинамических условий течения жидкости. [c.290] В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией, причем совместный перенос тепла этими способами называется конвективным теплообменом (конвективной теплоотдачей). Механизм переноса тепла в ядре потока при турбулентном движении среды характеризуется интенсивным перемешиванием за счет турбулентных пульсаций, которое приводит к выравниванию температур в ядре до некоторого среднего значения Соответственно перенос тепла в ядре определяется прежде всего характером движения теплоносителя, но зависит также от его тепловых свойств. По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает. Как будет показано ниже, это объясняется тем, что вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой, подобный гидродинамическому пограничному слою (см. стр. 49), но, как правило, отличающийся от последнего по толщине. [c.290] Если за пределами внешней границы теплового пограничного слоя преобладающее влияние на теплообмен оказывает турбулентный перенос, то в самом слое, по мере приближения к стенке, все большее значение приобретает теплопроводность, а в непосредственной близости от стенки (в весьма тонком тепловом подслое) перенос тепла по нормали и стенке осуществляется только теплопроводностью. [c.290] ПОДСЛОЯ, в котором интенсивность переноса тепла определяется коэффици ентом температуропроводности а (м /сек). [c.291] Величины а и являются аналогами известных из гидродинамики величин кинематической вязкости V и турбулентной вязкости г.,. Численные значения соответственно а. и V.,, а также а и V в общем случае не совпадают, что и обусловливает различие толщин теплового и гидродинамического пограничных слоев (бте л= гидр, рис. VII-8). Эти слои совпадают по толщине только при V = а. Поскольку отношение у/а представляет собой (стр. 296) критерий Прандтля (Рг = у/а), то, очевидно, толщина теплового и гидродинамического слоев одинакова только при Рг = 1. Отсюда следует, что при Рг = 1 соблюдается подобие поля температур и поля скоростей, а критерий Прандтля можно рассматривать как параметр, характеризующий подобие этих полей. [c.291] Приведенная выше схема механизма переноса тепла (рис, УП-8) лишь приближенно отражает сложную структуру поля температур в условиях конвективного теплообмена. [c.291] Для интенсификации конвективного теплообмена желательно чтобы тепловой пограничный слой был возможно тоньше. С развитием турбулентности потока пограничный слой становится настолько тонким, что конвекция начинает оказывать доминирующее влияние на теплообмен. [c.291] Коэффициент пропорциональности а в уравнениях (VU, 27) и (УП, 27а) называется коэффициентом теплоотдачи. Величина а характеризует интенсивность переноса тепла между поверхностью тела, например, твердой стенки и окружающей средой (капельной жидкостью или газом). [c.292] Таким образом, коэффициент теплоотдачи а показывает, какое количество тепла передается от 1 ж поверхности стенки к жидкости (или от жидкости к I м поверхности стенки) в течение 1 сек при разности температур между стенкой и жидкостью 1 град. [c.292] Вследствие сложной структуры потоков, особенно в условиях турбулентного движения, величина а является сложной функцией многих переменных. [c.292] Из этой зависимости общего вида можно заключить, что простота уравнения теплоотдачи (У11, 27) только кажущаяся. При его использовании трудности, связанные с определением количества тепла, передаваемого путем конвективного теплообмена, заключаются в расчете величины а. [c.292] Вследствие сложной зависимости коэффициента теплоотдачи от большого числа факторов невозможно получить расчетное уравнение для а, пригодное для всех случаев теплоотдачи. Лишь путем обобщения опытных данных с помощью теории подобия можно получить обобщенные (критериальные) уравнения для типовых случаев теплоотдачи, позволяющие рассчитывать а для условий конкретной задачи. [c.292] Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена. Выделим в установившемся потоке жидкости элементарный параллелепипед с ребрами йх, йу и 2 (см. рис. УП-2). Пусть плотность р жидкости, ее коэффициент теплопроводности X и удельная теплоемкость Ср постоянны. Температура I жидкости изменяется вдоль граней параллелепипеда. Проекции скорости движения ш жидкости на оси координат х, у и г составляют ы) , гЮу и Шг соответственно. [c.293] Рассмотрим уравнение теплового баланса параллелепипеда, принимая, что все подведенное к нему тепло затрачивается только на изменение энтальпии параллелепипеда. Тепло переносится в жидкости путем конвекции и теплопроводности. [c.293] Уравнение (VII, 29) представляет собой дифференциальное уравнение конвективного теплообмена, которое называется также уравнением Фурье — Кирхгофа. Это уравнение выражает в наиболее оби ем виде распределение температур в движущейся жидкости. [c.294] Для твердых тел k) , = = ш, = О и уравнение (VII, 29) превращается в дифференц,иальное уравнение теплопроводности уравнение (VII, 10). [c.294] Тепловое подобие. Из уравнения Фурье — Кирхгофа следует, что температурное поле в движущейся жидкости является функцией различных переменных, в том числе скорости и плотности жидкости. Поэтому для практического использования уравнение (VII, 29) подобно преобразовывают с учетом условий однозначности, т. е. представляют в виде функции от критериев подобия. [c.294] В критерий Нуссельта входит обычно определяемая в задачах по конвективному теплообмену величина а. [c.295] Равенство критериев Фурье в сходственных точках тепловых потоков — необходимое условие подобия неустановившихся процессов теплообмена. [c.295] Критерий Фурье является аналогом критерия гомохронности Но при гидродинамическом подобии. [c.295] Вернуться к основной статье