ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА КОНВЕКЦИЕЙ

В приборах отопления и вентиляции передача теплоты конвекцией является обычно важнейшим видом теплопередачи; если же включить в нее добавочный процесс кондукции через пограничный слой и через дальнейшие слои движущейся жидкости (как это обычно делается в технической трактовке вопроса), то конвекция иногда оказывается даже единственным способом теплопередачи в некоторых частях при­боров. Пусть например имеем обычный цилиндрический трубопровод для горячего воздуха; ввиду того что, воздух не может излучать теплоту и стенки трубы прн одинаковой их температуре также не могут передавать тепло излучением с одних частей своей поверхности на другие, имеем здесь случай одной лишь конвекционной теплопере­дачи от воздуха на внутреннюю поверхность стенок (точнее — случай конвекции-кондукции).

Наиболее обычным процессом, в котором рассчитывается тепло­передача конвекцией, является протекание жидкости по трубе, если термины „жидкость" и „труба" понимать в широком смысле слова[127]. Кроме протекания рассматривается еще случай внешнего обтекания трубы жидкостью в направлении, не параллельном осп трубы. Разли­чают еще свободный поток — с естественной скоростью, вызывае­мой самой разностью температур, и принужденный поток — со скоростями, повышенными искусственно; это различие имеет практиче­ское значение преимущественно для процессов обтекания. Большое значение для теплопередачи имеет также общий гидродинамический характер течения жидкости, который может быть. пли ламинарным (струйным), или турбулентным (вихревым); в первом случае имеем бо­лее спокойное течение, в котором струн потока параллельны стенкам трубы, а во втором — эти струн вибрируют, образуют различные за­вихрения, то ударяясь о стенки, то удаляясь от них.

При более близком рассмотрении, особенно в ламинарном течении, оказывается тончайший слой неподвижной жидкости, как бы прц. шп -

ши(1 к стенке; ближайшие к нему слои имеют скорости, возрастаю­щие к середине потока — следовательно от нуля до осевой скорости. Рис. 96 показывает обычное параболическое распределение этих ско­ростей при ламинарном течении согласно данным гидродинамики. От­ношение средней скорости сечения ш к осевой здесь составляет

около 0,5 j ——— ^=;0,5 j. Наличие пограничного слоя указывает, между

“ос /

прочим, на то обстоятельство, что при протекании жидкости (и об­текании) имеется не трепне жидкости о стенку, а лишь внутреннее трение одних слоев жидкости о другие.

При турбулентном течении имеется свой особый пограничный слой. Сначала идет неподвижная часть его, не поддающаяся измерению (мономолекулярная); за ней следует часть с ламинарным течением,

где скорости растут почти по прямой. После пограничного слоя различают еще полутурбулентный, в который лишь ча­стично врываются удары следующих, вполне турбулентных слоев, имеющих большие скорости. Рис. 97 показывает типичное распределение скоростей та­кого потока. Отношение _!Е£±. здесь со-

шос

ставляет около 0,8—0,9 *.

Основным фактом, определившим раз­витие теории конвекционной теплопе­редачи, является то обстоятельство, что температуры в разных струях потока распределены приблизительно так же, как и скорости (температурное поле подобно скоростному). Это установило связь характеристик гидродинамического процесса и теплового. Поэтому ниже приводятся сначала некоторые понятия и данные гидродинамики потока.

Среди отдельных величин, влияющих на характер потока, надо отметить здесь две, не встречавшиеся в предыдущем изложении.

а) Плотность жидкости р, в смысле физики определяемая как от­ношение объемного веса кГускорению силы тяжести: р= —.

б) Коэфициеит внутреннего трения жидкости jr. Чтобы представить себе его физический смысл и размерность, предположим, что слои жидкости соприкасаются между собой на площади 1 м2 и имеют из-

dn>

вестную разность скоростей в виде градиента их в направлении,

перпендикулярном к плоскости соприкосновения. Тогда для смещения одного слоя относительно другого надо приложить некоторую силу Р кг/м2, которая, очевидно, будет пропорциональна указанному гра­
диенту:

п ^

Р=*1ы -

Коэфициент этой пропорциональности р. означает таким образом силу в килограммах, необходимую для преодоления трения жидкости на площади 1 м2 при градиенте скорости в 1 м/сек на каждый метр расстояния от этой плоскости; следовательно размерность для р. будет [кг • сек/м2][128]. Из выясненного выше физического смысла этой величины понятно, что она весьма мала, особенно для газов. Поэтому ее при­водят в таблицах обычно увеличенной в 10в раз. Например имеем: для воздуха при 0° р. = 1,69, для воды 183, для масла 9 400.

Таблицы для р. см. например у Гребера „Введение в теорию тепло­передачи", 2-е изд., стр. 144.

В конвекционной теплотехнике часто фигурирует еще величина

v = у - (м2]сек), называемая кинематической вязкостью.

Здесь же уместно отметить еще понятие о средней темпера­туре потока в трубе. Различают три значення этого понятия:

1) средняя по сечен ню температура имеет выражение:

ф/.

^сред f,

о

где /—площадь сечения потока;

2) средняя по расходу жидкости в сечении при разных ско­ростях струй, но при неизменной плотности и теплоемкости:

«>•» j»,// .nJ '•

3) то же, но при переменной плотности и теплоемкости:

JVcporf/

^ Л '—• ~z •

J cpoidf

Ниже приводятся некоторые основные данные гидродинамики, наибо­лее необходимые для последующего изложения.

1. Переход ламинарного движения в турбулентное при движении по трубе с диаметром d м происходит в том случае, если характери­зующая движение групповая величина ■ так называемое число Рей­нольдса Re, приобретает при возрастании значение около 2 320.

2. Потеря напора р, —р2 в жидкости при движении в трубе с диаметром d определяется на каждый метр ее длины L формулой:

Pi — Р-2 __ и “5Р

2F’ 0)

где для ламинарного потока к для переходной зоны с неустой-

^булентпостью к — 0,3164 и для стабилизировавшегося

(/ ^цого движения:

/ - 1

к ■

(I 2 ’ 1,74 +2 lg 2^

абсолютный коэфициеит шероховатости стенки трубы в мм цііже в мм.

f о б т е к а н и н жидкостью трубы имеем:

Pi — Pi

определено в виде кривой только для воздуха в условиях к/ иного движения (Фёппль).