Теплообмен при естественной конвекции

Естественная конвекция — это движение жидкости или газа, вызванное разностью плотности, которая возникает изза неравномерности нагрева в поле тяжести. При этом характерными являются небольшие скорости движения, поэтому интенсивность теплообмена при естественной конвекции, как правило, значительно меньше, чем при вынужденной.

Различают конвекцию в ограниченном объеме и в неограниченном объеме (свободную конвекцию).

Для определения коэффициента теплообмена при свободной конвекции в неограниченном объеме наибольшее распространение получила эмпирическая формула вида:

где Nu, Gr, Pr — числа Нуссельта, Грасгофа и Прандтля (см. п. 1.6), В и п — эмпирические константы, значения которых приведены в табл. 3.4. Точность, с которой может быть определено число Нуссельта этим способом, составляет 10…20%. Если требуется более высокая точность, то следует использовать более сложные формулы, более детально учитывающие особенности конкретной задачи; эти формулы приводятся в теплофизических справочниках. В качестве характерного размера / при определении чисел Nu, Gr, Pr для горизонтальных труб берется их диаметр, а для вертикальных поверхностей — их высота. Если Gr-Pr < 10³, то число Нуссельта Nu можно считать постоянным и равным 0.5, т. е. в этом случае а = 0.5Х/1; это означает, что при малых значениях Gr-Pr теплообмен происходит за счет теплопроводности.

Таблица 3.4

Значения констант в формуле (3.94).

В тех случаях, когда естественная конвекция происходит в ограниченном пространстве (например, между двумя близко расположенными вертикальными стенами, в воздушной прослойке между оконными рамами, в пространстве между двумя коаксиальными вертикально расположенными цилиндрами и т. п.), то процесс теплообмена удобно рассматривать как обычную теплопроводность, но с коэффициентом, зависящим от интенсивности конвективных потоков:

где Я_э — «эквивалентный» или «эффективный» коэффициент теплопроводности, Я — «истинная» теплопроводность жидкости или газа, е — коэффициент конвекции. Т. к. при наличии конвекции возникает дополнительный перенос тепла, то, очевидно, е > 1.

Результаты экспериментальных исследований зависимости коэффициента конвекции от произведения Gr -Рг приведены в табл. 3.5. В качестве характерного размера / при определении числа Грасгофа берется расстояние между поверхностями, в качестве перепада температур (Т — Т₂) — абсолютная величина разности температур этих поверхностей. Число Прандтля берется при средней температуре жидкости или газа между поверхностями. Точность определения е по этим формулам составляет 10…20%. Для достижения большей точности надо использовать более сложные формулы, в которых учитывается, например, то, что число Рг зависит от температуры и, значит, несколько различается вблизи одной и другой поверхности и др.

Таблица 3.5

Эмпирические формулы для коэффициента конвекции.