КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН процесс
переноса тепла, происходящий в движущихся текучих средах (жидкостях либо
газах) и обусловленный совместным действием двух механизмов переноса
тепла - собственно конвективного переноса и теплопроводности. Т.
о., в случае К. т. распространение тепла в пространстве осуществляется
за счёт переноса тепла при перемещении текучей среды из области с более
высокой темп-рой в область с меньшей темп-рой, а также за счёт теплового
движения микрочастиц и обмена кинетической энергией между ними. В связи
с тем что для неэлектропроводных сред интенсивность конвективного переноса
очень велика по сравнению с теплопроводностью, последняя при ламинарном
течении играет роль лишь для переноса тепла в направлении, поперечном
течению среды. Роль теплопроводности при К. т. более значительна при движении
электропроводных сред (напр., жидких металлов). В этом случае теплопроводность
существенно влияет и на перенос тепла в направлении движения жидкости.
При турбулентном течении осн. роль в процессе переноса тепла поперёк
потока играет пульсационное перемещение турбулентных вихрей поперёк течения
жидкости. Участие теплопроводности в процессах К. т. приводит к тому, что
на эти процессы оказывают существенное влияние теплофизич. свойства среды:
коэффициент теплопроводности, теплоёмкость, плотность.

В связи с тем что в процессах К.
т. важную роль играет конвективный перенос, эти процессы должны в значит,
мере зависеть от характера движения жидкости, т. е. от значения
и направления скорости среды, от распределения скоростей в потоке, от режима
движения жидкости (ламинарное течение либо турбулентное). При больших
(сверхзвуковых) скоростях движения газа на процессы К. т. начинает
влиять распределение давления в потоке. Если движение жидкости обусловлено
действием нек-рого внешнего побудителя(насоса, вентилятора, компрессора
и т. п.), то такое движение наз. вынужденным, а происходящий при
этом процесс К. т. - вынужденной конвекцией. Если движение жидкости вызвано
наличием неоднородного поля темп-ры, а следовательно, и неоднородной плотности
в среде, то такое движение наз. свободным или естественным, а процесс К.
т. - свободной или естественной конвекцией. На практике встречаются и такие
случаи, когда приходится учитывать как вынужденную, так и свободную конвекцию.

Наиболее интересным с точки зрения
технич. приложений случаем К. т. является конвективная теплоотдача, т.
е. процесс К. т., протекающий на границе раздела двух фаз (твёрдой и жидкой,
твёрдой и газообразной, жидкой и газообразной). При этом задача расчёта
состоит в нахождении плотности теплового потока на границе раздела фаз,
т. е. величины, показывающей, какое кол-во тепла получает или отдаёт единица
поверхности раздела фаз за единицу времени. Помимо указанных выше факторов,
влияющих на процесс К. т., плотность теплового потока зависит также от
формы и размеров тела, от степени шероховатости поверхности, а также от
темп-р поверхности и теплоотдающей или тепловоспринимающей среды.

Для описания конвективной теплоотдачи
используется формула:

где qст- плотность теплового потока
на поверхности, вт/м²; а - коэфф. теплоотдачи, ет/(м²-
°С); Ти Т(жидкости или газа) и поверхности соответственно. Величину Т„
- Т„ часто обозначают ДТ и наз. температурным напором.
Коэфф.
теплоотдачи . а характеризует интенсивность процесса теплоотдачи; он возрастает
при увеличении скорости движения среды и при переходе от ламинарного режима
движения к турбулентному в связи с интенсификацией конвективного переноса.
Он также всегда больше для тех сред, у к-рых выше коэфф. теплопроводности.
Коэфф. теплоотдачи существенно повышается, если на поверхности происходит
фазовый переход (напр., испарение или конденсация), всегда сопровождающийся
выделением (поглощением) скрытой теплоты. На значение коэфф. теплоотдачи
сильное влияние оказывает массообмен на поверхности.

Осн. и наиболее трудной проблемой
в расчётах процессов конвективной теплоотдачи является нахождение коэфф.
теплоотдачи а. Совр. методы описания процесса К. т., основанные на теории
пограничного
слоя, позволяют получить теоретические (точные или приближённые)
решения
для нек-рых достаточно простых ситуаций. В большинстве же встречающихся
на практике случаев коэфф. теплоотдачи определяют экспериментальным путём.
При этом как результаты теоретич. решений, так и экспериментальные данные
обрабатываются методами подобия теории и представляются обычно в
следующем безразмерном виде: Nu = f (Re, Pr) - для вынужденной
конвекции и Nu = = f (Gr, Pr) - для свободной конвекции,где
Nu
=