ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОАУДИТА

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

Конвекция - перемещение макроскопических частей среды (газа, жид­кости), приводящее к переносу массы и теплоты. В реальных условиях конвекция всегда сопровождается теплопроводностью или молекулярным переносом теплоты. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Конвектив­ный теплообмен между жидкостью и твердым телом часто называют теп­лоотдачей.

На процесс теплоотдачи конвекцией влияет целый ряд факторов.

1. Характер движения жидкости около твердой стенки. По природе возникновения различают два вида движения - свободное и вынужденное. Свободным называется движение, происходящее вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости в поле тяжести. При соприкосновении с нагретым телом жидкость (воздух) нагревается, стано­вится легче и поднимается вверх. При соприкосновении с холодным телом жидкость охлаждается, становится тяжелее и опускается вниз.

Свободное движение называется также естественной конвекцией и может происходить в ограниченном (канале, щелях) или неограниченном пространстве. Возникновение и интенсивность свободного движения опре­деляются тепловыми условиями процесса и зависят от расположения по­верхности (вертикальное или горизонтальное), направления теплоотдаю - щей поверхности (вверх или вниз), рода жидкости, разности температур, напряженности гравитационного поля и объема пространства, в котором протекает процесс.

Вынужденным называется движение, возникающее под действием по­сторонних возбудителей, например насоса, вентилятора и пр. В общем слу­чае наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное движение жидкости. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур в отдельных точках жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.

Вынужденное движение жидкости может быть ламинарным или тур­булентным. При ламинарном режиме (от латинского слова lamina - полоса) течение имеет спокойный, струйчатый характер, а при турбулентном (от латинского слова turbulus - вихрь) - движение неупорядоченное, вихревое. Для процессов теплоотдачи режим движения жидкости имеет большое зна­чение.

Изменение режима движения жидкости происходит при некоторой «критической» скорости, которая в каждом конкретном случае различна. Однако при любом виде движения в тонком слое у поверхности из-за нали­чия вязкого трения течение жидкости затормаживается, и скорость падает до нуля. Этот слой принято называть вязким подслоем. Интенсивность теп­
лоотдачи для газов и жидкостей в основном определяется термическим сопротивлением этого подслоя. При ламинарном режиме перенос теплоты в направлении нормали к стенке в основном осуществляется путем тепло­проводности пограничного слоя. При турбулентном режиме перенос тепло­ты сохраняется лишь в вязком малом подслое, а внутри турбулентного по­тока перенос осуществляется путем интенсивного перемешивания частиц жидкости.

Потеря устойчивости ламинарного течения сопровождается образова­нием завихрений, которые за счет диффузии заполняют весь поток, вызы­вая сильное перемешивание жидкости, называемое турбулентным смеше­нием. При турбулентном движении весь поток насыщен беспорядочно движущимися вихрями, которые непрерывно возникают и исчезают. В по­следующем вследствие вязкости жидкости вихри постепенно затухают и исчезают. Чем больше вихрей, тем интенсивнее перемешивание жидкости, тем больше турбулентность потока и тем выше теплоотдача.

Различают естественную и искусственную турбулентность. Первая образуется естественно в процессе нагрева жидкости и ее движения вдоль стенки, когда вначале имеет место ламинарное, спокойное движение, затем неустойчивое, неупорядоченное, после чего вихревое и турбулентное, с отрывом вихрей от стенки. Вторая вызывается искусственным способом путем установки или наличия в потоке каких-либо закручивающих лопа­ток, направляющих аппаратов, решеток и других устройств.

Английский физик Осбори Рейнольдс (1842 - 1912 гг.) в результате специальных исследований в 1883 г. установил, что в общем случае режим течения жидкости определяется не только одной скоростью ю, а особым безразмерным комплексом (числом) Рейнольдса Re = co//v, включающим и коэффициент кинематической вязкости жидкости v, и характерный (опре­деляющий) размер l канала или обтекаемого тела.

Переход ламинарного режима в турбулентный происходит при опре­деленном, критическом значении критерия ReHp и зависит от условий обте­кания пластины, движения жидкости внутри труб, коридорного или шах­матного расположения труб в пучке и других условий.

Очевидно, что теплоотдача в турбулентном потоке будет больше, чем в ламинарном, и еще больше, чем при свободном движении жидкости. Теп­лоотдача выше, когда жидкость движется.

2. Физические свойства или род жидкости. В качестве теплоносителей в настоящее время применяются самые разнообразные вещества - воздух, газы, вода, масла, бензол, нефть, бензин, спирты, расплавленные металлы и различные специальные смеси. В зависимости от рода и физических свойств этих веществ теплоотдача протекает различно и своеобразно. На теплоотдачу влияют плотность, теплоемкость, коэффициенты теплопро­водности и температуропроводности, кинематическая вязкость жидкости. Кроме того, физические свойства каждого теплоносителя зависят от темпе­ратуры, а некоторые из них и от давления.

3. Условия теплового режима. Теплообмен может проходить в обыч­ных или специфических условиях, в пограничном или акустическом слое, при изменении агрегатного состояния (кипении или конденсации), в опре­деленных условиях тепломассообмена (при распылении воды в форсунках контактных теплообменников или кондиционеров).

4. Температурный напор АТ - разность температур между твердой стенкой Тцг и жидкостью Ту. Чем выше температура (порядок) температур­ного напора, тем выше теплоотдача между жидкостью и стенкой. Напри­мер, при первом условии АТ = Тцт - Ту = 1000 - 900 = 100 К, а при втором условии АТ2 = Т^г - Ту = 400 - 300 = 100 К и получается, что температурные напоры равны АТ = АТ2 = 100 К.

Однако теплоотдача в первом случае будет выше, чем во втором. Чем больше температура температурного напора, тем больше преобладает тур­булентный режим движения жидкости.

5. Направление теплового потока Q: от твердой стенки к жидкости или обратно - от жидкости к стенке. При одинаковых прочих условиях те­плоотдача от горячей стенки с температурой Тцг к холодной жидкости Ту всегда выше, чем от горячей жидкости к холодной стенке. Например, при первом условии ДТі = Тц — Тf = 400 — 300 = 100 К, а при втором ДТ2 = Тf — Тц = 400 — 300 = 100 К.

Получается, что температурные напоры равны ДТ = ДТ2 = 100 К, од­нако теплоотдача в первом случае будет выше, чем во втором. Влияние температурного напора ДТ и его направления объясняется тем, что в пер­вом случае на поверхности стенки появляется слой, в котором частицы жидкости передвигаются более интенсивно и способствуют улучшению теплообмена, а во втором - не способствуют.

6. Геометрические размеры тела, например шара с малым и большим диаметрами. При одинаковых прочих условиях: температурой стенки ша­ров Тц и холодной жидкости Тf теплоотдача малого шара больше, чем у большого. В процессе теплоотдачи образуется пограничный слой, толщина которого у малого шара меньше, чем большого.

7. Направление теплоотдающей поверхности. При одинаковой темпе­ратуре стенки горизонтальной пластины Тц и холодной жидкости Тf тепло­отдача поверхности пластины, обращенной вверх, выше, чем плоскости, обращенной вниз. В общем случае коэффициент теплоотдачи может изме­няться вдоль поверхности теплообмена, и поэтому различают средний по поверхности коэффициент теплоотдачи и локальный или местный коэффи­циент теплоотдачи, соответствующий единичному элементу поверхности.

Главная прикладная цель изучения теплоотдачи и ее влияния на энер­госбережение заключается в определении количества теплоты, которое пе­редается от твердой поверхности к жидкости или обратно. Картину тепло­отдачи можно представить следующим образом. Каждая частица жидкости имеет свою скорость, которая в направлении к стенке убывает, а для час­тиц, прилипших к стенке, считается равной нулю. Естественно, что от под­вижной жидкости к твердой поверхности теплота проходит через непод­вижный слой прилипания. Поперек подвижного потока, в направлении к стенке, преобладает молярный перенос теплоты, осуществляемый в основ­ном конвекцией, а у самой стенки превалирующим становится молекуляр­ный перенос теплоты за счет явления теплопроводности, что позволяет оп­ределять тепловой поток через слой жидкости у стенки по закону тепло­проводности Фурье.

Использование закона теплопроводности для расчета процесса тепло­отдачи представляется весьма удобным. Однако требуются предваритель­ные знания вида функций температурного поля в жидкости, которые опи­сываются общим дифференциальным уравнением Фурье-Кирхгофа и урав­нениями движения Навье-Стокса [13].

Уравнения Фурье-Кирхгофа, Навье-Стокса и неразрывности потока описывают явление или связь между физическими параметрами в самом общем виде. Для его конкретизации необходимо добавить еще ряд уравне­ний, называемых условиями однозначности задачи.

Таким образом, процесс конвективного теплообмена описывается весьма сложной системой дифференциальных уравнений, аналитическое решение которой пока не представляется возможным. Поэтому в настоящее время расчеты процесса теплоотдачи производятся по закону английского математика и физика Исаака Ньютона (1643 - 1727 гг.):

Q = aF (Тц — Тf), Вт,

Где a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 • К); F - площадь теплообмена, м2; Тц, Тf - температуры поверхности стенки и жидкости, К.

Коэффициент теплоотдачи a числено равен количеству теплоты (Дж), передаваемому от жидкости к твердой поверхности (или обратно) в единицу времени (с), через единицу поверхности (м2) при перепаде темпе­ратур между стенкой и жидкостью в один градус, К.

Вся сложность конвективного теплообмена и трудности расчета пере­носятся и концентрируются на коэффициенте теплоотдачи. Табулирование коэффициента теплоотдачи оказывается невозможным и его численное значение, в большинстве случаев, определяется опытным путем. Техниче­ское выполнение опыта по определению коэффициента теплоотдачи боль­шой сложности не представляет.

Определение коэффициента теплоотдачи а требует учета большого множества условий теплообмена. Возникает вопрос: как уменьшить число опытов? Нельзя ли результаты одного опыта переносить на другие явления, хотя бы родственные? Ответ на эти вопросы дает теория подобия, по кото­рой результаты одного опыта можно перенести на другие явления, если они подобны.

Теплообмен в специфических условиях включает в себя теплоотдачу в стационарных и нестационарных условиях, в акустическом поле, в ненью­тоновских жидкостях, при высоких скоростях движения газов, контактный теплообмен в камерах орошения, при изменении агрегатного состояния (при кипении и конденсации пара). Вопросы теплообмена в специфических условиях приведены в [13].