2 .8.2 Свободная конвекция в ограниченном пространстве
При свободном движении в неограниченном объеме жидкости мы можем рассматривать всегда одно явление: например нагрев жидкости от стенки. Охлаждение при этом происходило где – то вдали и никак не влияло на рассматриваемое нами явление.
В малом ограниченном пространстве (прослойки, щели, кольцевые каналы)(полости для охлаждающей жидкости) явление нагревания и охлаждения жидкости протекают вблизи друг друга и разделить их невозможно (они влияют друг на друга) и поэтому весь процесс необходимо рассматривать в целом.
Вследствие ограниченности пространства и наличия восходящих и нисходящих потоков условия движения сильно усложняются. Они зависят как от формы и геометрических размеров канала, так от рода жидкости и интенсивности процесса теплообмена.
Около нагретой поверхности создается восходящее свободное движение, а около холодной нисходящее, которые зависят от ∆t,Pr,формы, размера, объема и толщины слоя жидкости δ.
В вертикальных каналах и щелях в зависимости от δ свободное движение жидкости может протекать по двум способам. Если “ δ ” достаточно велика, то входящий и нисходящий потоки движутся без взаимных помех. Их характер такой же, как и вдоль вертикальных поверхностей.
Если же “ δ ” мала, то вследствие взаимных помех восходящий и нисходящий потоки сливаются и образуют контуры циркуляции высотой h. Высота их определяется шириной щели δ: чем больше δ, тем меньше h.
В горизонтальных щелях процесс помимо распространения между поверхностями зависит от взаимного расположения нагретых и холодных поверхностей. Если нагретая поверхность расположена сверху. То циркуляция совсем отсутствует.
Если нагретая поверхность расположена снизу, то процесс протекает аналогично процессу в вертикальной щели, но контуры циркуляции в них чередуются по направлению.
В шаровых и горизонтальных цилиндрических прослойках циркуляция жидкости, если нагрета внутренняя поверхность t2>t1 , развивается лишь в зоне лежащей выше нижней кромки нагретой поверхности. Ниже её жидкость остается в покое.
Если же нагрета внешняя цилиндрическая поверхность t2<t1, то циркуляция жидкости протекает в пространстве расположенной ниже верхней кромки холодной поверхности (вверху как для горизонтального канала).
Т.к. процессы нагревание и охлаждения в малых объемах протекают вблизи и разделить их невозможно, то применение обычных методов расчета теплоотдачи является затруднительным. (т.е. мы не можем пользоваться формулой Ньютона – Рихмана Q=α∆tF). Мы не можем в этих условиях установить правильную закономерность изменения α отдельно для нагревания и охлаждения.
Как быть? А для этого применяют специальные методики.
Для упрощения исследования конвективного теплообмена через прослойки, этот сложный процесс, рассматривают как явление передачи теплоты путем теплопроводности, вводя при этом понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности:
-
плоская прослойка.
- цилиндрическая
прослойка.
где F – поверхность теплообмена (F=F1=F2)
l – длина прослойки
λэкв– эквивалентный коэффициент теплопроводности.
Qк – тепловой поток передаваемый конвекцией через прослойку.
λэкв=λεк
где λ– действительный коэффициент теплопроводности жидкости или газа в прослойке.
-
коэффициент конвекции, учитывающий
влияние конвекции на перенос теплоты
через прослойку.
Т.к. циркуляция жидкости обуславливает разность плотностей нагретых и холодных частиц и определяется критерием (Grж;Prж), то εк должно являться функцией этого же аргумента εк =f(Grж;Prж).
Коэффициент конвекции εк определяется по опытным данным и представляется в виде обобщенного уравнения подобия. В приближенных расчетах для ((Grж;Prж)>103) для любой жидкости или газа можно воспользоваться уравнением:
εк=0,18(Grж;Prж)0,25
В этом уравнении при определении числа Грасгофа в качестве определяющего линейного размера выступает ширина канала δ, а определяющее температурное поле tж=tcт1+tст2.
В тех случаях, когда прослойка заполнена газом, теплота наряду с конвекцией передается через нее и радиацией (лучистым теплообменом). В этом случае полный тепловой поток определиться как Q=Qк+Qл
где Сп – приведенная излучательная способность системы тел.
Tст1 и Tcт2– абсолютные температуры стенок (не в коем случае не в 0С)