Конвективным теплообменом называется процесс переноса теплоты между поверхностью твердого тела и жидкой средой или газом, при котором перенос теплоты осуществляется одновременным путем теплопроводности и конвекции. С другой стороны этот процесс также называют теплоотдачей.
Конвективный теплообмен характерен для большинства процессов тепловой обработки различных материалов и изделий, связанных с прохождением газов через слой материала, через саду изделий, над уровнями жидкостей при сушке и др..
Явление теплопроводности в жидкостях и газах, так же как и в твердых телах, полностью определяется коэффициентом теплопроводности и градиентом температуры (см. раздел 2.1). Иначе обстоит дело с явлением конвекции, которая является вторыми элементарных видом распространения теплоты. Этот процесс переноса теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Поэтому конвекция возможна только в жидкостях и газах, доли которых могут легко перемещаться.
Согласно этому закону плотность теплового потока q пропорциональна разности температур стенки и среды. В процессе теплоотдачи, независимо от направления теплового потока (от стенки к среде или наоборот), его значение принято считать положительным. Поэтому разницу температур t-t всегда берут по абсолютной величине, т.е. просто из большего значения температуры отнимают меньше.
Коэффициент теплоотдачи a равно количество теплоты, отдаваемое в единицу времени единицей поверхности при разности температур между поверхностью и средой в один градус. В общем случае коэффициент теплоотдачи может изменяться вдоль поверхности теплообмена, и поэтому различают средний по поверхности коэффициент теплоотдачи и местный ^ oKmbrnu) коэффициент теплоотдачи, что соответствует единичному элементу поверхности.
Факторы, влияющие на процесс теплоотдачи, и соответственно на коэффициент теплоотдачи условно можно разделить на следующие группы.
1) Пpиpoда возникновения движения сеpедoвища (жидкости или газа) уздoвж стинku. В зависимости от причинам, способствуют движение жидкости, различают два вида движения - свободный (npиpoдний) и вынужденный. Свободное движение возникает за счет подъемной силы, которая обусловлена разницей плотностей холодных и нагретых частиц жидкости. Интенсивность свободного движения зависит от вида жидкости, разности температур между отдельными ее частями и объема пространства, в котором протекает процесс.
Вынужден движение жидкости (газа), или вынужденная конвекция, обусловленная работой внешних агрегатов (насоса, вентилятора и т.д.). Сила, которая движет при этом виде конвекции, возникает вследствие разности давлений, возникающих на входе и выходе из канала, по которому перемещается жидкость (газ). Если скорость вынужденного движения невелика и разница температур между отдельными частицами жидкости (газа), то наряду с вынужденным движением может наблюдаться и свободное движение.
2) Режим движения жидкости. Движение жидкости (газа) может иметь ламинарный или турбулентный характер. В первом случае (ламинарный движение) частицы жидкости в форме отдельных струй, не смешиваются, движутся вдоль канала или стенки, и профиль скоростей на достаточном удалении от начала трубы имеет вид правильной параболы. Подобное распределение постоянных скоростей обусловлено наличием сил внутреннего трения (вязкости) между частицами жидкости (газа). При этом максимальная скорость движения частиц жидкости (газа), которые перемещаются по оси трубы, в 2 раза больше средней скорости их движения, которую можно получить в результате деления секундного объема жидкости (газа) на площадь поперечного сечения трубы (рис. 2.14, а).
Турбулентный режим движения характеризуется непостоянством скорости движения частиц жидкости в точке пространства рассматривается. Через непрерывное перемешивание жидкости в ней нельзя выделить отдельные струи, и такое движение лишь условно можно называть стационарным. В этом случае профиль скоростей по сечению трубы будет иметь вид усеченной параболы и максимальная скорость будет наблюдаться в частиц жидкости, движущихся по оси трубы, при этом она будет всего в 1,2-1,3 раза больше средней скорости. Характерно, что не все частицы жидкости при турбулентном режиме имеют неупорядоченный движение. Вблизи стенок, ограничивающих потоки, вследствие вязкости жидкости скорость уменьшается, а у самой стенки сохраняется тонкий граничный слой, движущийся ламинарное. В пределах этого слоя, имеющего толщину не более нескольких тысячных долей диаметра трубы, скорость движения частиц жидкости резко меняется от нуля на самой стенке до 0,4-0,7 средней скорости на условной границе с турбулентным ядром потока (рис. 2.14, б ).
В большинстве случаев, встречающихся в теплотехнику, Re> 10000 и движение жидкости или газа является турбулентным. В особых условиях (при отсутствии шероховатостей на стенках, безвихровому входе жидкости в трубу и т.д.) можно хранить ламинарный движение при числах Re до 10000, но такое движение очень неустойчивым и при небольшом местном возмущении потока с ламинарного сразу переходит к турбулентному.
Режим движения жидкости определяет механизм переноса теплоты в процессе теплоотдачи. При ламинарном движении перенос теплоты от жидкости к стенке (или наоборот) осуществляется главным образом путем теплопроводности. При турбулентном движении такой способ передачи теплоты наблюдается лишь в ламинарном пограничном слое, а внутри турбулентного ядра теплота переносится путем конвекции. При этом на интенсивность теплоотдачи в основном влияет термическое сопротивление пограничного слоя. Последнее наглядно иллюстрируется рисунком 2.15, на котором представлена схема движения жидкости при обтекании плоской поверхности (пластины).
Как уже отмечалось, при движении жидкости (газа) вдоль поверхности образуется граничный слой, в котором за счет вязкости скорость движения среды значительно меньше его средней скорости, а у самой поверхности практически равна нулю. Зона потока, в которой за счет взаимодействия с поверхностью скорость движения потока меньше скорости движения среды, называется динамическим граничным слоем. Следует отметить, что при движении потока вдоль поверхности стенки толщина этого граничного слоя постепенно растет. На небольших расстояниях от переднего края стенки граничный слой еще тонкий и течение жидкости в нем носит ламинарный характер. Далее на некотором расстоянии хкр в граничном слое начинают возникать вихри и характер течения становится турбулентным (рис. 2.15). Эти вихри обеспечивают интенсивное перемешивание жидкости в пограничном слое, но в непосредственной близости от поверхности стенки они затухают, и здесь сохраняется очень тонкий вязкий подслой. Толщина динамического пограничного слоя 0дин зависит от расстояния X от переднего края стенки, скорости движения потока и кинематической вязкости v = fl / p.
В общем случае толщины теплового и динамического слоев не совпадают, но часто они близки друг к другу, особенно в газах.
3) Физические свойства жидкости (газа). На процесс теплоотдачи непосредственно влияют теплопроводность X (см. раздел 2.1), удельная теплоемкость С (см. раздел 1.1.4), плотность р, а также вязкость V (см. раздел 1.5.1) и температуропроводнисть а (см. раздел 2.1.2).
4) Форма, размеры и состояние поверхности стенки, омывается жидкостью (газом). Обычно поверхности стенок имеют форму плиты или трубы, которые могут быть располагаемые вертикально, горизонтально или наклонно. Каждая из этих форм поверхностей создает специфические условия для теплообмена между поверхностью стенки и жидкостью, которая омывает эту поверхность. Для процесса теплоотдачи очень важно, перемещается жидкость внутри замкнутого пространства или поверхность стенки со всех сторон омывается жидкостью. Большое значение имеет также состояние поверхности стенки, который оценивается ее шероховатостью.
Из рассмотрения факторов, влияющих на процесс теплоотдачи, видно, насколько сложно определить количество теплоты, которая передается при конвективном теплообмене.