.

Перенос тепловой энергии конвекцией

Теплоотдача при свободном движении жидкости Под термином жидкость (если это специально не оговорено) будем понимать, как капельную жидкость, так и газ, причём жидкость может быть сжимаемой (газ) и несжимаемой (капельная жидкость). Теплообмен между потоками жидкости и поверхностью соприкасающегося с ним тела называется конвективным теплообменом (конвективной теплоотдачей). 

Закон Ньютона-Рихмана Тепловой поток  от жидкости к элементу поверхности  (или в обратном направлении) пропорционален площади элемента поверхности и разности температур.α и Δt не изменяются от точки к точке поверхности, то закон Ньютона-Рихмана записывается в интегральной форме Величина, которая численно характеризует плотность теплового потока, которая рассеивается с поверхности твёрдого тела при разности с окружающей средой в 1°К. В СИ единицей является Вт/(м2*К) .

Пограничный слой При соприкосновении частиц жидкости с поверхностью тела они адсорбируются телом, как бы прилипают к его поверхности. В результате около поверхности вследствие вязкостных свойств образуется тонкий слой медленно движущейся жидкости – пограничный слой.

Пограничные слои:

- гидродинамический (если температура между средой и жидкостью примерно одинакова)Гидродинамический пограничный слой – это пристенный слой жидкости толщиной , в котором происходит изменение скорости движения жидкости от нулевой (на поверхности тела) до значения – скорости основного потока жидкости

- тепловой (возникают в результате взаимодействия 2х сред с различными температурами Пристенный слой жидкости толщиной , в котором происходит измeнение температуры от её значения tп на поверхности тела до температуры  основного потока жидкости, называют тепловым пограничным слоем жидкости. такое расстояние от стенки, на котором скорость потока v будет отличаться от скорости v0 набегающего потока, например, на 1%. В общем случае величины δ и δt не совпадают.

Режимы движения жидкости

  • - ламинарный  При ламинарном движении отдельные струи потока располагаются параллельно друг другу.
  • - турбулентный При турбулентном потоке отдельные струи хаотически переплетены друг с другом.

Характер режима течения зависит от нескольких параметров жидкости:

  • - вязкость μ
  • - плотность ρ
  • - скорость течения и размер тела, вдоль которого течёт эта жидкость.

Между частицами и слоями реальной жидкости, движущимися с различными скоростями, вследствие вязкости всегда возникает сила внутреннего трения (касательные напряжения), противодействующая движению.  Переход из турбулентного течения в ламинарное и обратно количественно характеризуется так называемым числом Рейнольдса – Re. При обтекании пластины при значении числа Рейнольдса Re>5*105 возникает турбулентность. Зарождение турбулентности зависит от возмущений в потоке, которые могут существовать на подходе к передней кромке пластины к области самой кромки.  Значения некоторых коэффициентов теплоотдачи приведены в таблице:

Свободная конвекция:

  •             в газах:…………………………………………………………………………2-10
  •             в масле и других жидкостях той же плотности……………………….200-300
  •             в воде………………………………………………………………………..200-600

Вынужденная конвекция:

  •             в газах:…………………………………………………………………………...10-100
  •             в масле и других жидкостях той же плотности…………………………300-1000
  •             в воде………………………………………………………………………….1000-3000

Кипение воды…………………………………………………………………….......5000-45000

Кольцевая конденсация водяных паров………………………………………….4000-12000

Конденсация органических паров………………………………………………..500-2000 

Критериальные уравнения

Свойства среды для явления свободной конвекции описываются следующими параметрами:

  • - коэффициент термического расширения среды β;
  • - теплопроводность λ;
  • - теплоёмкость сp;
  • - плотность ρ;
  • - динамическая вязкость μ или u=μ/p

На основе теории подобия можно объединить физические и геометрические параметры в безразмерные комплексы, тот же процесс можно описать не десятью, а следующими тремя комплексами: числом Нуссельта Nu, числом Грассгофа Gr, исло Прандтля 

Теплообмен при кипении Теплообмен при кипении жидкостей на поверхностях нагрева твёрдых тел часто встречается в электронной технике. Кипение – процесс образования пара при нагревании жидкости, при этом возникают новые свободные поверхности раздела жидкой и паровой фаз внутри жидкости. Температура образующего газа – температура насыщения, определяется давлением, при котором находится кипящая жидкость. На участке, неопределённо примыкающем к поверхности  нагрева, температура жидкости может на расстоянии нескольких миллиметров измениться на десятки градусов. Обычно температуру жидкости у стен принимают равной температуре стенки, а в удалённых от стенки областях – температура насыщения. Перегрев жидкости вблизи стенки оказывается возможным из-за отсутствия постоянной поверхности раздела жидкости и пара. На поверхности или вблизи неё возникают пузырьки. При этом центром парообразования могут служить шероховатости поверхности нагрева, пузырьки воздуха или газа, выделяющегося из жидкости, стенки, места случайного скопления молекул загрязнения и т.д. Размеры пузырька быстро растут, и под влиянием подъёмной силы и конвективных токов он поднимается к свободной поверхности жидкости. Температурный напор определяет механизм парообразования и интенсивность теплообмена. Рассмотрим процесс кипения на примере опыта. Погруженная в воду при 100°С платиновая проволока нагревается проходящим через неё электрическим током. Как на поверхности нагрева, так и вблизи неё пузырьки сливаются между собой, образуя большие паровые полости, в отдельных местах поверхности возникают «сухие» пятна, и эти участки выключаются из теплообмена. Происходит резкое снижение теплового потока, температура проволоки повышается. Область В весьма неустойчива и не представляет большого интереса для технических приложений. Г – стабильное плёночное кипение, вся поверхность нагрева покрывается сплошной плёнкой нара, испарение жидкости происходит на границе жидкость-пар, вызывая увеличение толщины паровой плёнки до тех пор, пока пар не отрывается от неё в виде беспорядочной массы пузырьков неправильной формы. Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока и обозначают qкр1, а соответствующий температурный напор – критическим температурным напором. Для воды в точке а<qкр1 =900 кВт/м2, температурный напор равен 30 кВт/(м2К). При обратном снижении q коэффициент теплоотдачи α по-прежнему сохраняется небольшим при значительно меньшей тепловой нагрузке. Это указывает на значительную устойчивость плёночного режима кипения жидкости при снижении тепловой нагрузки.

Можно говорить о двух критических плотностях теплового потока qкр1 – переход от пузырьков к плёнке (а) и qкр2 – разрушение сплошного парового слоя и восстановление пузырькового режима кипения (в). В областях между критическими точками возможно существование обоих процессов кипения на разных частях одной и той же поверхности нагрева. Минимальную тепловую нагрузку при плёночном режиме кипения называют второй критической плотностью теплового потока  Критическая тепловая нагрузка определяется свойствами жидкости, скоростью потока, давлением, состоянием поверхности, условиями её смачиваемости и т.д. На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов. В этих случаях описанные выше процессы остаются в силе, но появляется ряд новых особенностей. Важное значение приобретает характер распределения паровой и жидкой фаз внутри внутри трубы в виде однородной эмульсии (рис. а) и в виде двух самостоятельных потоков воды и пара  и её ориентации, состояния поверхности тела простых и универсальных зависимостей получить не удалось. При проектировании ракетно-космических систем, где происходят фазовые превращения жидкости, необходимо учитывать особенности теплообмена в условиях переменной гравитации.