ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ТЕОРИЯ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ЧИСЛОВЫЕ ПРИМЕРЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНВЕКЦИИ

Сущность теплопередачи конвекцией уже была кратко объяс­нена на стр. 20. Теплопередача этого вида всегда связана с пере­мещением микрообъемов теплопередающего вещества, которые поочередно приходят в соприкосновение с поверхностью нагрева или охлаждения. В зависимости от того, является ли это движе­ние микрообъемов вынужденным (при внешнем перепаде давле­ний) или свободным (вызванным только действием подъемной силы), различают вынужденную и свободную конвекцию. Наряду с передачей тепла конвективными потоками всегда существует передача тепла теплопроводностью. Однако почти все газы и большинство жидкостей проводят тепло так плохо, что количество его, передаваемое теплопроводностью, исчезающе мало по срав­нению с количеством, переносимым конвекцией. |

Примером может служить известный опыт с пробиркой, напол­ненной водой, на дне которой лежит кусочек льда. Если нагревать пробирку сверху, то можно заставить воду в верхней части про­бирки кипеть длительное время, тогда как на дне ее лед еще не растаял. Причина заключается в том, что горячая вода вследствие „.своего меньшего удельного веса спокойно остается наверху. Поэ­тому тепло на дно пробирки может передаваться лишь путем теп­лопроводности согласно закону Фурье [уравнение (2, а)], а этого тепла не достаточно, чтобы быстро расплавить лед. Картина бу­дет совершенно иной, если пробирку нагревать снизу, причем ку­сок льда может находиться в любом месте, например в верхней части пробирки. В этом случае нагретая вода тотчас же подни­мется кверху и перенесет тепло конвекцией к куску льда, который быстро плавится. Такого же результата можно достичь и в пер­вом опыте, если пробирку встряхивать. В этом случае свободная конвекция, наступающая при нагревании снизу, заменяется вы­нужденной конвекцией.

Другим примером малой роли теплопроводности по сравнению с конвекцией могут служить приборы комнатного отопления, ко­торые нельзя располагать под потолком, а лишь около пола, что­бы обеспечить появление конвективных потоков. Однако при рас-

Смотрении передачи тепла конвекцией нельзя совершенно прене­брегать теплопроводностью. По теории Л. Прандтля в любом по­токе в непосредственной близости от ограничивающих поверхно­стей возникает тонкий «пограничный слой», который находится в более или менее спокойном состоянии или во всяком случае в состоянии ламинарного движения. Через этот пограничный слой тепло передается только теплопроводностью и лишь после него— конвекцией. Но, так как речь идет об очень тонком слое, доста­точно, согласно уравнению (2а), очень маленькой разницы тем­ператур, чтобы тепло прошло через этот пограничный слой.

Физическая разница между теплопередачей теплопроводно­стью и конвекцией состоит главным образом в величине частиц теплоносителя. По кинетической теории тепла теплопроводность состоит в передаче энергии колебаний от более быстрых, следова­тельно, колеблющихся сильнее молекул молекулам, колеблющим­ся менее интенсивно; кроме того, в газах и жидкостях играет роль материальный обмен молекулами между соседними слоями, в которых молекулы движутся с различными скоростями. (Ана­логичную роль играют электроны в электрических проводниках при теплопроводности). Теплопередача конвекцией представля­ет собой материальный обмен микрообъемами веществ с различ­ной температурой. Поэтому с известными ограничениями можно оказать, что теплопроводность является микроскопическим, а кон­векция — сходным макроскопическим процессом.