Теплообмен при свободной конвекции

Теплообмен при свободной конвекции

Интенсивность конвективного теплообмена в значительной степени определяется характером течения жидкости около поверхности тела, которое при свободной конвекции зависит от разности температур тела и окружающей среды, от формы, размера и расположения тела в пространстве.

При изучении свободной конвекции рассматриваются три характерных случая: теплообмен между жидкостью и телом, расположенным в неограниченном пространстве; теплообмен в ограниченных прослойках; совместное протекание естественной и вынужденной конвекции.

При движении жидкости, вызванном свободной конвекцией, на поверхности теплообмена образуется динамический и тепловой пограничные слои. Температура в пограничном слое меняется плавно от температуры на стенке t_с до температуры среды t_ж. Скорость на границе жидкость – твердое тело близка к нулю, а максимальное значение имеет на некотором расстоянии от стенки.

При движении жидкости вдоль поверхности пограничный слой развивается и переходит от ламинарного режима течения в турбулентный.

На основании теории подобия для свободной конвекции в большом объеме была получена критериальная зависимость в виде

 

.                                     (1)

 

Теплообмен при свободной конвекции на вертикальной поверхности

Развитие течения жидкости или газа вдоль горячей вертикальной поверхности показано на рис. 8. Сначала толщина нагретого слоя жидкости мала и течение ламинарное. Постепенно по высоте стенки движением увлекается все большее количество жидкости. Толщина ламинарного слоя растет. Затем, он разрушается и наступает турбулентный режим течения.

 

Рис. 1. Развитие течения и изменение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции у вертикальной поверхности

 

На участке ламинарного течения α уменьшается в связи с увеличением толщины пограничного слоя движущейся жидкости, а на участке переходного течения вследствие повышения степени турбулизации и уменьшения толщины ламинарного слоя коэффициент теплоотдачи возрастает, и далее, при развитом турбулентном течении, сохраняется постоянным.

Коэффициент теплоотдачи при свободном движении жидкости в большом объеме определяется из следующих уравнений подобия:

для вертикальных труб и плоских стенок при ламинарном течении жидкости (10³ < Gr·Pr < 10⁹)

 

                 (2)

 

для вертикальных труб и плоских стенок при турбулентном течении жидкости (Gr·Pr) > 10⁹ 

 

                      (3)

В этих уравнениях определяющей температурой является температура окружающей среды t_ж, за определяющий размер принимается высота участка от начала теплообмена h.

Здесь и далее  – критерий Прандтля жидкости или газа при температуре твердого тела.

 

Теплообмен при свободной конвекции у горизонтального цилиндра

Развитие свободной конвекции около горизонтального цилиндра аналогично естественной конвекции у вертикальной поверхности. Здесь также можно выделить ламинарный, переходный и турбулентный участки пограничного слоя.

В зависимости от температурного напора и диаметра цилиндра переход ламинарного течения в турбулентное может происходить на поверхности цилиндра, или за пределами соприкосновения движущейся среды с цилиндром.

За определяющий размер принимается внешний диаметр цилиндра d.

При < 10^-3 вокруг тела образуется неподвижная пленка с переменной температурой. Такой режим называется пленочным. В этих условиях критерий Нуссельта зависит только от формы тела (для тонкой проволоки ). В качестве определяющей температуры принята средняя температура пограничного слоя .

           В диапазоне 10^-3 <  < 5 10² наблюдается режим переходный от пленочного к ламинарному и коэффициент теплоотдачи определяется уравнением

                             (4)

 

           Коэффициент теплоотдачи при значениях 5 10² <  < 10⁹ можно вычислить из уравнения

 

.                     (5)

В уравнениях (4) и (5) за определяющую температуру принята температура окружающей среды .

 

⇐ Предыдущая28293031323334353637Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: