Теплоотдача при свободном движении

Если в жидкость достаточно большого объема ввести нагретое тело, то внутри такого пространства возникнет естественная конвекция. В этом случае жидкость приходит в движение, обусловленное только наличием температурного поля. Такое движение жидкости называется свободным.

Причиной возникновения циркуляционных токов является различие в плотностях неодинаково нагретой жидкости. Частицы жидкости, нагреваясь, стремятся под действием возникающей подъемной силы подняться вверх, а на их место подходят холодные частицы из окружающего пространства.

Теплообмен в свободном потоке жидкости неограниченного объема.

Под неограниченным понимают объем, размеры которого настолько велики, что тепловое возмущение не распространяется на весь объем. Примерами теплообмена в свободном потоке жидкости неограниченного объема являются естественное охлаждение паропровода, нагревание воздуха помещений отопительными приборами, нагревание воды в больших емкостях.

Характерная схема свободного движения вдоль нагретой вертикальной трубы или плиты схематически показана на рис. 9.12.

В пограничном слое нижней части трубы (пластины) в восходящем потоке устанавливается ламинарный режим движения I. Толщина ламинарного слоя в направлении потока постепенно увеличивается. На некотором критическом расстоянии /_кр от нижней кромки трубы (пластины) ламинарный слой начинает разрушаться и возникает переходный режим. Дачее на высоте h и выше в слое устанавливается развитый турбулентный режим II (см. на рис. через h обозначена высота ламинарного слоя), при этом в непосредственной близости от поверхности стенки формируется вязкий подслой. В соответствии с характером свободного движения изменяется и коэффициент теплоотдачи, а вдоль трубы трубы (пластины). В области ламинарного слоя локальное значение, а по высоте трубы уменьшается в связи с утолщением ламинарного слоя и достигает минимума там, где толщина ламинарного слоя достигает максимума. Затем коэффициент а, постепенно возрастая, принимает постоянное значение в области развитого турбулентного слоя.

Когда размеры тела по высоте незначительны, то ламинарный характер потока может сохраняться на всем протяжении пограничного слоя у поверхности тела.

Для области ламинарного режима 10³< (GrPr)_I10T < 10⁹ при свободном движении жидкости вдоль вертикальной поверхности (трубы, пластины) конвективный теплообмен подчиняется следующей зависимости:

Рис. 9.12. Изменение коэффициента теплоотдачи по высоте пластины при свободном движении среды:

I — ламинарный режим движения; II — турбулентный режим движения;

/ — критическое расстояние; b — высота пластины; t_CT — температура стенки; а — коэффициент теплоотдачи Переход от ламинарного к турбулентному режиму движения происходит на некотором расстоянии /_кр от начала поверхности. Для воздуха это расстояние определяют.

где At — разность между температурой поверхности и температурой жидкости, омывающей эту поверхность.

Уравнение подобия в области турбулентного режима при (GrPr)_II0T> 10⁹ имеет вид

В приведенных уравнениях в качестве определяющей температуры принимается температура окружающей среды, а в качестве определяющего линейного размера — высота пластины или трубы Ь.

Применительно к воздуху или другому двухатомному газу приведенные формулы упрощаются (Рг = 0,71; Рг_пот/ Pr_CT= 1):

для ламинарного режима.

для турбулентного режима.

Для расчета теплоотдачи горизонтальной плиты может быть использована критериальная зависимость для вертикальной плиты. При этом, если теплоотдающая поверхность плиты обращена вниз, полученное по этому уравнению значение теплоотдачи следует уменьшить на 30%, а если вверх, то увеличить на 30%. В качестве определяющего линейного размера принимается длина меньшей стороны плиты.

Для горизонтальных tdv6 уравнение подобия имеет вид.

В качестве определяющего линейного размера для горизонтальных труб применяется наружный диаметр.