Физические основы теплообмена конвекцией

Выше отмечалось, что конвективный теплообмен происхо­дит при движении жидкости или газа, движущиеся частицы которых и являются теплоносителями. Каждая такая части­ца, соприкоснувшись с тепловоспринимающей поверхно­стью, в момент контакта передает определенное количество тепла и, не останавливаясь, движется дальше. На ее место подходит другая, не остывшая частица, которая также от­дает часть своего тепла и следует дальше, и т. д.

Когда нет движения и частицы жидкости или газа не выполняют роль движущихся теплоносителей, тогда нет и теплопередачи конвекцией. В подобных случаях тепло пе­редается (в отсутствие теплового излучения) исключитель­но теплопроводностью.

Вместе с тем следует отметить, что при конвективном теплообмене при движении среды всегда происходит пере­дача тепла теплопроводностью. В зависимости от свойства среды и условий движения доли тепла, передаваемого кон­векцией и теплопроводностью, в общем процессе теплооб­мена будут различны.

Таким образом, теплопередача конвекцией — это очень сложный процесс, зависящий от большого числа факторов, таких, как условия движения жидкости или газа, их тепло­проводности, формы поверхности нагрева и др.

На теплопередачу конвекцией сильно влияет природа возникновения движения, иначе говоря, силы, вызывающие движение. Эти силы могут зарождаться в самой среде, а могут быть приложены и извне. В первом случае наблю­даются свободное движение и свободная конвекция, во вто­ром — вынужденное движение и вынужденная конвекция.

Свободное движение возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частей среды. В результате соприкосновения с нагретой поверхностью жидкость на­гревается, температура ее по сравнению с температурой остальной массы повышается, а плотность уменьшается. Вследствие разности плотностей нагретых и более холод­ных частей среды возникает подъемная сила, которая со­здает свободное движение и вызывает конвективный тепло­обмен определенного вида — свободную конвекцию. Таким образом, первопричиной возникновения свободной конвек­ции является температурный напор D T, т. е. разность меж­ду температурой поверхности нагрева и температурой сре­ды. Этот температурный напор и определяет коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции.

Вынужденная конвекция наблюдается при движении, вызванном внешними силами (насос, вентилятор), и зави­сит от ряда факторов, из которых главными являются ско­рость и режим движения жидкости или газа. Наряду с вы­нужденным движением одновременно возможно возникно­вение и свободного движения. В таком случае влияние сво­бодного движения тем больше, чем меньше его скорость и выше температурный напор D T. При больших скоростях вынужденного движения значение свободной конвекции становится ничтожным.

При ламинарном движении отдельные слои между со­бой не перемешиваются и передача тепла в таком потоке возможна только теплопроводностью от слоя к слою. Ско­рость на интенсивность теплопередачи, а следовательно, на величину a практически не влияет.

При турбулентном движении, когда основная масса по­тока интенсивно перемешивается, определяющее значение имеет скорость движения, увеличение которой вызывает увеличение коэффициента a. При турбулентном движении около поверхности стен, ограничивающих поток, обра­зуется тонкий слой жидкости, в котором благодаря вязко­сти сохраняется ламинарное движение. Этот тонкий лами­нарный слой жидкости называют пограничным слоем; он оказывает решающее влияние на процесс теплообмена. Пе­редача тепла в турбулентном потоке осуществляется в ре­зультате интенсивного перемешивания. Передача тепла в пределах пограничного ламинарного слоя происходит толь­ко теплопроводностью. Поэтому для большинства теплоно­сителей (газы, вода, масло и др.) интенсивность теплоотда­чи в основном определяется термическим сопротивлением пограничного слоя, величина которого значительно превы­шает тепловое сопротивление потока. При увеличении ско­рости движения среды толщина пограничного слоя уменьшается, что и вызывает увеличение коэффициента теплоот­дачи a.