Теплообмен при свободной конвекции в большом объеме

Свободное движение обусловлено разностью плотности жидкости в различных точках объема. Обычно в тепловых процессах разность плотностей обусловлена разностью температур. Свободная конвекция имеет место при нагреве комнат батареями отопления и грубами, охлаждении трубопроводов, несущих горячий теплоноситель, наружных стен нагревательных печей и котлов.

Если внести в жидкость нагретое тело, то при соприкосновении жидкость будет нагреваться. Нагретые частицы будут подниматься вверх. В случае нагретой вертикальной пластины этот процесс можно изобразить так:

С изменением характера движения изменяется и теплоотдача. При ламинарном течении пограничного слоя вследствие увеличения толщины пограничного слоя коэффициент теплоотдачи по направлению движения убывает, а при переходе в турбулентное течение возрастает до определенного стабилизированного значения. При свободном движении температура жидкости в пограничном слое изменяется от температуры стенки до температуры жидкости, а скорость изменяется от нуля у стенки проходит через максимум и на большом удалении от стенки снова становится равной нулю.

В развитии свободного движения форма тела играет второстепенную роль. Здесь большое значение имеет протяженность поверхности, вдоль которой происходит движение, и ее положение. Описанная выше картина движения вдоль вертикальных стен и труб типична также и для горизонтальных труб и тел овальной формы.

Около нагретых горизонтальных плоских стенок или плит движение имеет вид:

По изучению интенсивности теплообмена в условиях свободного движения были проведены исследования с разными телами и различными жидкостями. В результате обобщения опытных данных получены уравнения подобия для средних значений коэффициента теплоотдачи. В этих формулах в качестве определяющей температуры принята температура окружающей среды. В качестве определяющего размера для горизонтальных труб принят диаметр, а для вертикальных поверхностей – высота, для горизонтальных плит- наименьший размер.

Закономерность средней теплоотдачи для горизонтальных труб

при 10³(GrPr)10⁸:

.

Для газов Pr =const, а Pr_ж/Pr_ст=1, и поэтому последний сомножитель учитывать необязательно.

Закономерности теплоотдачи для вертикальных труб и пластин имеют вид:

при 10³  10⁹ (ламинарный режим):

;

при 10⁹ (турбулентній режим):

.

Если горячая сторона плиты обращена к верху, то рассчитанный коэффициент теплоотдачи следует увеличить на 30% ( ), а если горячая сторона обращена вниз, то уменьшить на 30% ( ).

Теплообмен при свободном движении

в ограниченном пространстве

Ране рассмотрены условия теплообмена в неограниченном пространстве, где протекало лишь одно явление, например, нагрев жидкости. В ограниченном пространстве явления нагрева и охлаждения жидкости протекают вблизи друг от друга и их разделить невозможно. В этом случае следует рассматривать процесс в целом.

Вследствие ограниченности пространства и наличия восходящих и нисходящих потоков здесь усложняются условия движения. Они зависят от формы и геометрических размеров, от рода жидкости и температурного напора.

В вертикальных каналах и щелях, если толщина зазора достаточно велика, то восходящий и нисходящий потоки протекают без взаимных помех и имеют такой же характер, как и вдоль вертикальной поверхности в неограниченном пространстве (поз.а) Если толщина зазора мала, то вследствие взаимных помех внутри возникают циркуляционные контуры (поз.б) .

В горизонтальных щелях процесс определяется взаимным расположением горячей и холодной поверхностей и расстоянием между ними. Если нагретая поверхность сверху, то циркуляция отсутствует (поз.в) . Если нагретая поверхность снизу, то чередуются восходящие и нисходящие потоки (поз.г).

В шаровых и цилиндрических прослойках циркуляция развивается по схемам, изображенным на рисунках (поз.д,е,ж). Обратим внимание, что здесь циркуляция развивается в зоне, лежащей выше нижней кромки нагретой поверхности. Ниже этой кромки жидкость остается в покое.

Для облегчения расчета такой сложный процесс конвективного теплообмена принято рассматривать как элементарное явление теплопроводности, вводя при этом понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности.

, где ,

- коэффициент учитывает влияние конвекции и называется коэффициентом конвекции,  - толщина зазора, F - поверхность теплообмена.

Так как циркуляция обусловлена разности плотности горячих и холодных частиц жидкости, то должен быть функцией Gr и Pr, то есть

Значения С и n определяются из таблицы

	С	n
103-106	0.105	0.3
106-1011	0.4	0.2

При конвективная составляющая практически отсутствует и .