Конвективний теплообмін - фізична енциклопедія

Конвективного теплообміну - незворотний процес перенесення теплоти в рухомих середовищах з неоднорідним полем темп-ри, обумовлений спільною дією конвекції і молекулярного руху.

Наїб. важливий для практики випадок - К. т. між рухомим середовищем і поверхнею її розділу з ін. середовищем (твердим тілом, рідиною або газом) - зв. конвективного тепловіддачею. Внаслідок в'язкості середовища, що рухається вона "прилипає" до поверхні розділу, в результаті місцева швидкість середовища щодо цієї поверхні дорівнює нулю. Тому щільність конвективного теплового потоку, відповідного до поверхні розділу (або відходить від неї), може бути описана за допомогою закону теплопровідності (закону Фур'є):

де - коеф. молекулярної теплопровідності. Т - темп-pa середовища. Якщо характеризує фіз. властивості середовища, то градієнт темп-ри формується під дією конвективного руху середовища. Чим інтенсивніше конвекція, тим більше градієнт темп-ри. Визначення градієнта темп-ри у стінки зазвичай є предметом теоретичних. або експери. дослідження. Залежно від виду конвективного руху розрізняють К. т. При вимушеній, вільної і капілярної конвекції. Можуть існувати і змішані види К. т.

Теоретич. опис процесу К. т. будується на основі ур-ня збереження енергії в середовищі:

де - щільність середовища, р - тиск, ср - уд. теплоємність при пост. тиску, - коеф. динамічний. в'язкості, Ф - диссипативная функція, що враховує нагрів середовища через внутр. тертя, Q - внутр. тепловиділення в одиниці об'єму середовища, - повна, або субстанциональная, похідна по часу т, що представляє собою суму локальної і конвективного складових:

(Х, у, z - просторів. Координати, і., - складові вектора швидкості вздовж осей цих координат).

Для вирішення ур-ня (2) необхідно знати граничні умови на поверхні розділу і в навколишньому просторі, а також в разі залежності процесу від часу - поч. умови. Для визначення входять до ур-ня (2) складових швидкості середовища додатково залучаються ур-ня збереження кількості руху в проекції на разл. осі координат.

К. т. Може ускладнюватися протіканням в середовищі або на поверхні розділу різних фіз - хім. перетворень (кипіння, плавлення, конденсація, дисоціація, іонізація і т. п.). У цих випадках для теоретич. опису К. т. використовуються доповнить. ур-ня, що відображають кінетику отд. фіз - хім. процесів або умови термодинамич. рівноваги, напр. закони діючих мас для разл. хім. реакцій. Якщо при цьому від. фіз - хім. перетворення протікають на поверхні розділу і має місце сумарний витрата маси через цю поверхню, то замість ур-ня (1) для опису щільності теплового потоку до поверхні розділу використовується більш загальне ур-ня:

де - швидкість середовища в напрямку нормалі до поверхні, Я - ентальпія середовища при темп-ре поверхні, - відносить. масові концентрації отд. хім. компонентів, - їх швидкості дифузії в напрямку нормалі до поверхні, - їх ентальпії при темп-ре поверхні розділу, обчислені з урахуванням енергії утворення цих компонентів при стандартних умовах.

Відповідний до поверхні розділу конвективний тепловий потік зручно представляти у вигляді закону Ньютона:

де - коеф. конвективного теплообміну, Т - темп-ра поверхні розділу, Тс - характерна темп-ра середовища. Як Тс при обтіканні тіла безмежним рівномірним потоком приймається темп-pa зовн. середовища (при великих швидкостях середовища - темп-pa гальмування, або т. зв. "рівноважна" темп-pa; см. Аеродинамічний нагрів). при перебігу в трубах або процесах К. т. в замкнутих посудинах - среднемассовая темп-ра середовища.

Опис процесу К. т. Може бути представлено в безрозмірному вигляді з використанням подібності теорії. Інтенсивність К. т. Характеризується безрозмірним критерієм - Нуссел'та числом. де L - характерний розмір. У разі К. т. При вимушеній конвекції осн. визначальним критерієм є Рейнол'дса число, де V - швидкість середовища, - коеф. динамічний. в'язкості. Крім числа Рейнольдса вплив на К. т. Надає Прандтля число = = і т. Н. температурний фактор враховує змінність теплофізичних. властивостей середовища при зміні її темп-ри. В результаті критеріальний закон К. т. При вимушеній конвекції має вигляд

Крім перерахованих основних визначальних критеріїв на К. т. При вимушеній конвекції можуть впливати і ін. Чинники. Зокрема, при великих швидкостях польоту тіла в атмосфері важливу роль відіграє Маха число.

Вид залежності (5) визначається геом. формою поверхні розділу і режимом її обтікання, зокрема режимом течії в пограничному шарі (ламінарним або турбулентним), наявністю і станом зон відриву потоку (див. Відривне протягом) .Крітеріальние закони К. т. у вигляді (5) можуть бути отримані як на підставі теоретич. розрахунків [напр. чисельним рішенням системи ур-ний (2) і ін.], так і експериментально - шляхом дослідження тепловіддачі до моделей подібної геом. форми в представляє інтерес діапазоні зміни числа Рейнольдса і ін. визначальних критеріїв. Напр. середній коеф. К. т. В разі поперечного обтікання циліндра описується за допомогою степеневої залежності Nu =. причому С і m мають разл. значення для різних діапазонів зміни числа Рейнольдса: