Конвективный теплообмен в однофазных средах

Закон теплоотдачи — закон Ньютона имеет вид:

.

где Q — тепловой поток, Вт; - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2· К); Tf и Tw — температуры текучей среды и стенки, С (К); F — площадь поверхности теплообмена, м2.

В зависимости от причины, вызывающей движение текучей среды, различают конвекцию при вынужденном движении или вынужденную конвекцию и конвекцию при свободном движении или свободную конвекцию.

По интенсивности движения различают два основных режима течения: ламинарный и турбулентный. Для большинства флюидов существует и переходный от ламинарного к турбулентному режим течения.

Признаки ламинарного режима течения:

• — частицы среды движутся по плавным взаимно непересекающимся траекториям;
• — параметры течения (температура, скорость, давление и концентрация примесей) являются гладкими функциями координат и времени;
• —перенос субстанции (теплоты, импульса и массы) осуществляется за счет взаимодействия микрочастиц среды (атомов, молекул, ионов и т. п.). Поэтому коэффициенты переноса субстанции (коэффициент температуропроводности, коэффициент кинематической вязкости и коэффициент диффузии) являются физическими характеристиками вещества. Коэффициенты переноса субстанции для разных веществ определяют экспериментально и приводят в справочных таблицах в зависимости от температуры.

Признаки турбулентного режима течения:

• — частицы среды движутся по сложным, ломаным, взаимно пересекающимся траекториям;
• — параметры течения (температура, скорость, давление и концентрация примесей) являются пульсирующими функциями координат и времени;
• —перенос субстанции (теплоты, импульса и массы) осуществляется за счет взаимодействия макрообъемов среды (турбулентных молей). Поэтому коэффициенты переноса субстанции (коэффициент температуропроводности, коэффициент кинематической вязкости и коэффициент диффузии) зависят от самого режима движения и не являются физическими характеристиками вещества. Коэффициенты турбулентного переноса субстанции рассчитывают по, так называемым, полуэмпирическим моделям турбулентности.

Критерий Нуссельта:

где R0 — определяющий или характерный размер в системе теплообмена, м; - коэффициент теплопроводности текучей среды, Вт/(м•К).

Критерий Рййнольдса или Рййнольдс (критерий динамического подобия) — характеризует отношение силы инерции к силе трения:

.

По значению критерия Re судя о режиме течения флюида при вынужденной конвекции.

Критерий Грасгофа:

.

где — модуль разности температур между стенкой и флюидом, °C (K); - коэффициент объемного расширения флюида, 1/K.

Критерий Прандтля:

.

где — кинематический коэффициент вязкости, м2/с; а — коэффициент температуропроводности, м2/с.

Критерий Рэлея: .

Критерий теплового подобия — критерий Пеклй:

.

Критерий Фруда или Фруд — характеризует отношение силы тяжести (гравитационной силы) к силе инерции:

.

Китерий Эйлера или Эйлер — характеризует отношение силы давления к силе инерции:

Критерий Галилея, который характеризует отношение силы тяжести к силе вязкого трения:

.

Критерий Архимеда характеризует отношение подъемной силы из-за разности плотностей к силе вязкого трения:

.

где — изменение плотности флюида, а — значение плотности флюида при определяющей температуре .