 |
Основные теоретические положения
|
|
|
|
Теплообмен в условиях естественной конвекции осуществляется при местном нагревании или охлаждении среды, находящейся в ограниченном или неограниченном пространстве. Этот вид конвективного переноса тепла играет преимущественную роль в процессах отопления помещений и имеет значение в различных областях техники. Например, нагревание комнатного воздуха отопительными приборами, нагревание и охлаждение ограждающих конструкций помещений (стены, окна, двери и пр.) осуществляются в условиях естественной конвекции или так называемого свободного потока.
Естественная конвекция возникает в неравномерно нагретых газе, жидкости, находящихся в ограниченном или неограниченном пространстве, и может влиять на конвективный перенос в вынужденном потоке среды. В больших масштабах свободное перемещение масс среды, вызванное различием ее плотности в отдельных местах пространства, осуществляется в атмосфере земли, водных пространствах океанов и морей и т. д.
За счет естественного движения нагретого воздуха в зданиях осуществляется его вентиляция наружным воздухом. Исследованием свободной конвекции занимался еще М. В. Ломоносов, который применял подъемную силу нагретых масс воздуха для устройства вентиляции шахт, а также для перемещения газов в пламенных печах. К настоящему времени изучен естественный конвективный теплообмен для тел простейшей формы (плита, цилиндр, шар), находящихся в различных средах, заполняющих пространство больших размеров по сравнению с размерами самого тела.
Как показывает опыт, характер свободного течения среды относительно поверхности нагретого тела бывает ламинарным или частично или полностью турбулентным.
|
|
|
На нижнем участке вертикально подвешенной нагретой трубы большой длины наблюдается свободное перемещение комнатного воздуха (ламинарное течение). На некотором расстоянии от нижнего конца трубы перемещение слоев воздуха теряет ламинарный характер, возникают локонообразные массы, появляются искривленные струйки, которые далее дробятся на более мелкие, и восходящий поток воздуха у нагретой трубы приобретает турбулентный характер с ламинарным пристенным слоем.
Экспериментально коэффициент теплоотдачи может быть определен из основного уравнения теплопередачи Ньютона-Рихмана:
, (77)
где Q – мощность теплового потока, передаваемого свободной конвекцией в окружающую среду;
F – теплопередающая поверхность;
Dt – температурный напор (разность температуры между теплоотдающей средой и окружающей средой).
Свободный конвективный теплообмен тел в различных средах, находящихся в неограниченном пространстве, экспериментально изучался различными исследователями. Опыты проводились с телами простейшей формы (плиты, цилиндры, шары) с размером от 15 мк (проволоки) и до 16 м (шары) в различных средах (различные газы и жидкости).
Результаты исследований обобщались с помощью характерных для этого явления критериев Nu, Gr и Pr, что находится в полном соответствии с теорией подобия и аналитическим решением задачи. Изменение физических параметров в пограничном слое удается учесть введением критериального отношения 
, представляющего относительное изменение параметров переноса n и a в пределах изменения температуры среды: tж – температура потока окружающей среды, tст – температура среды на границе со стенкой.
На основании обобщения результатов экспериментального исследования рекомендуется применять следующие формулы для расчета среднего критерия теплообмена тел в свободном потоке:
для горизонтальных труб в диапазоне изменения GrPr от 103 – до 108 –
|
|
|
, (78)
где 
– средний критерий Нуссельта;
– критерий Грасгофа;
– критерий Прандтля при температуре потока окружающей среды;
– критерий Прандтля жидкости при температуре среды на границе со стенкой.
Для вертикальных труб и плит в диапазоне изменения 
от 103 – до 109 (ламинарное течение среды)
, (79)
а при 
> 109 (соответствует турбулентному течению)
. (80)
Для газов отношение 
незначительно зависит от температуры и его можно принять равным единице.
Для тонких проволок малого размера, для которых выполняется условие 
< 103, критерий конвективного теплообмена имеет постоянное число:
. (81)
Меньшие значения критерия Nu соответствуют неподвижному пограничному слою, когда теплоотдачу можно вычислить непосредственно по формулам теплопроводности.
Между этим предельным состоянием полностью заторможенной среды в пограничном слое и рассмотренным режимом свободной конвекции, при которой в пограничном слое осуществляется течение среды с равноправным
участием инерционных сил и сил внутреннего вязкостного трения, существует режим свободной конвекции с ползущим течением в пограничном слое. Для этого режима силами инерции можно пренебречь и решить задачу конвективного темплообмена в виде зависимости:
. (82)
Определяющим размером в формуле (82) является диаметр проволоки d, м, а определяющей температурой – температура потока газа (жидкости) tп, °С. Формула (82) справедлива для потока воздуха, у которого критерий Pr ≈ 0,7 и практически не зависит от температуры. Численные значения коэффициента С и показателя степени n для расчета по формуле (82) рекомендуется принять по данным табл. 9.
Таблица 9
Значения коэффициента С и показателя степени n
| Характер или режим теплообмена | 
| С | n |
| Псевдотеплопроводность | 10–3 – 5∙102 | 1,18 | 0,125 |
| Ламинарный | 5∙102 – 2∙107 | 0,54 | 0,25 |
| Переходный и турбулентный | Более 2∙107 | 0,135 | 0,33 |
|
|
|
