Основные понятия и определения процессов конвективного теплообмена

Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ОДНОФАЗНОЙ СРЕДЕ

Понятие конвективного теплообмена охватывает процесс теплообмена при движении жидкости или газа. При этом перенос тепла осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Конвекция тепла всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.

Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела называется конвективной теплоотдачей. Обычно при инженерных расчетах определяют теплоотдачу, знание конвективного теплообмена внутри жидкой среды может представить при этом косвенный интерес, поскольку перенос тепла внутри жидкости отражается и на теплоотдаче. Результирующий поток тепла всегда направлен в сторону уменьшения температуры.

При практических расчетах используют закон Ньютона – Рихмана:

Согласно закону Ньютона – Рихмана тепловой поток от жидкости к стенке или от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена и разности температур поверхности стенки и окружающей среды (температурному напору). Коэффициент пропорциональности в этом уравнении называется коэффициентом теплоотдачи и может быть переменным по поверхности теплообмена. Тогда для элемента поверхности dF

Данное тождество следует рассматривать как определение коэффициента теплоотдачи. Таким образом, коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока на поверхности тела, отнесенная к разности температур между стенкой и жидкостью, и численно равен плотности теплового потока при температурном напоре, равном единице.

Теплоотдача является сложным процессом, конкретные условия учитываются коэффициентом теплоотдачи, который зависит от большого числа факторов. В наиболее общем случае он зависит от формы и размеров тела, режима движения, скорости и температуры жидкости, ее физических параметров. По-разному протекает процесс теплоотдачи в зависимости от природы возникновения движения жидкости.

Различают вынужденную и естественную конвекцию. В первом случае жидкость или газ движутся за счет внешних для данного процесса сил (насос, вентилятор, ветер), во втором случае – за счет разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости. Возникновение и интенсивность свободного или естественного движения всецело определяются тепловыми условиями процесса и зависят от рода жидкости, разности температур и объема пространства, в котором протекает процесс.

Свободное движение может появиться в жидкости (газе) с переменной плотностью, очевидно, только в том случае, если жидкость находится в поле массовых сил (например, в поле земного тяготения). В дальнейшем в основном будет рассматриваться гравитационная свободная конвекция при фиксированной величине ускорения силы тяжести, не равной нулю, в отсутствии других массовых сил.

Вынужденное движение может сопровождаться свободным. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разница температур отдельных частиц жидкой среды и меньше скорость вынужденного движения.

В дальнейшем будут рассмотрены только стационарные процессы течения и теплоотдачи. Условие стационарности – неизменность во времени скорости и температуры в любой точке жидкости.

Дата добавления: 2014-01-04