4. Конвективний теплообмін

Конвективний теплообмін характерний для рідин і газів. При цьому переміщення тепла здійснюється одночасно конвекцією і теплопровідністю. Потрібно відрізняти вимушену і природну конвекцію. Вимушена конвекція відбувається під дією зовнішніх сил (насосів, вентиляторів і т.д.), у той час, як при природній конвекції рідина рухається внаслідок різниці густин нагрітих і холодних її частинок. При теоретичному вирішенні системи рівнянь конвективного теплообміну часто використовується гіпотеза пограничного шару, згідно якій, внаслідок прилипання рідини біля стінки виникає гальмівний шар малої товщини, швидкість в якому змінюється від нуля до швидкості незбудженого потоку W₀, рисунок 16 а). При турбулентному русі, течія у пограничному шарі на початку ламінарна (область 1, рисунок 16 б), а потім поступово турбулізується (область 2), але біля стінки все одно зберігається в’язкий підшар (область 3), товщина якого залежить від ступеня турбулізації і який являється основним термічним опором, так як тепло через цей шар передається теплопровідністю.

а) б) в)

Рисунок 16. Схема розподілення швидкості і температур у пограничному шарі

Аналогічно гідродинамічному введено поняття теплового пограничного шару, рисунок 16 в), згідно якого температура у цьому шарі змінюється від температури стінки , до температури не збудженого потоку .

Ці гіпотези дозволили ввести ряд спрощень у системі рівнянь, однак аналітичний розв’язок залишається достатньо складним, розв’язання існує для порівняно невеликої кількості окремих випадків. В інженерних розрахунках найбільш часто використовуються експериментальні залежності, отримані на основі теорії подібності.

Ще скажемо декілька слів про фізичні властивості розглядаємих рідин. Найбільший вплив здійснюють коефіцієнт теплопровідності , питома теплоємність С_р, густина , коефіцієнт температуропроводності а, коефіцієнт в’язкості . Для кожної речовини ці величини мають певні значення і є функцією параметрів стану (температури, тиску, насамперед температури). Особливо суттєві зміни фізичних властивостей можуть мати місце біля критичної області термодинамічних станів і в області дуже низьких температур. Теплообмін біля критичної області розглянемо окремо.

Коментар:_ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Всі реальні рідини володіють в’язкістю; між частинками або шарами, які рухаються з різними швидкостями, завжди виникає сила внутрішнього тертя, протидіюча руху. Згідно закону Ньютона ця дотична сила S, віднесена до одиниці поверхні, яка діє у будь-якій точці потоку у площині, яка орієнтована по течії, пропорційна зміні швидкості у напрямку нормалі до цієї площини

Коефіцієнт  називається динамічним коефіцієнтом в’язкості;

При S=.

У рівняння гідродинаміки і теплопередачі часто входить відношення в’язкості  до густини , яке називається кінематичним коефіцієнтом в’язкості і позначається літерою , [м²с]:

Коефіцієнти  і  є фізичними параметрами. Вони суттєво залежать від температури.

У крапельних рідин в’язкість майже не залежить від тиску, але значно зменшується при підвищенні температури.

У газів  збільшується при підвищенні температури. При збільшенні тиску коефіцієнт в’язкості газів також збільшується, але слабше.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _