4.2.3 Конвективный теплообмен

Во многих устройствах перемещающиеся газообразные и жидкие среды нагреваются или отдают своё тепло, взаимодействуя с поверхностью твёрдого тела. В хладотранспорте – это воздух холодильной камеры, приводимый в движение вентиляторами-циркуляторами; хладагент в трубах испарителей и конденсаторов; наружные стены вагонов отепляемые или охлаждаемые потоками воздуха при движении состава или вследствие обдувания ветром и т. д. Процесс переноса тепла от поверхности твёрдого тела к движущейся жидкости или газу и наоборот называется конвективным теплообменом, т. е. теплоотдачей.

Тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален разности температур стенки t_c и жидкости (газа) t_ж(г):

q = (t_c – t_ж(г)). (4.13)

Выражение (4.13) называется законом Ньютона-Рихмана. Коэффициент пропорциональности  называется коэффициентом теплоотдачи; его размерность – Вт/(м²K). Он характеризует интенсивность процесса теплоотдачи. Коэффициент  определяют экспериментально, измеряя количество переданной теплоты Q = qF и разность температур (t_c – t_ж(г)) в процессе теплоотдачи за время  от поверхности с известной площадью F. При выполнении теплотехнических расчётов, например теплопритоков в рефрижераторный вагон через его ограждения, величину  рассчитывают по специальным эмпирическим зависимостям, учитывающим физические свойства сред и конкретные условия теплообмена (прежде всего скорость омывания жидкостью (газом) твёрдой поверхности).

По природе движения жидкости (газа) различают естественную и вынужденную конвекции. Каждая из них обусловливается напором, побуждающим движение.

Естественная (свободная) конвекция возникает за счёт теплового расширения жидкости (газа) вблизи нагретой поверхности, например при печном или электрическом обогреве. Интенсивность свободной конвекции возрастает с увеличением разности температур (t_c – t_ж(г)) и температурного коэффициента объёмного расширения _t при:

,

где v – удельный объём.

Создающаяся при нагревании разность плотностей вызывает подъёмную силу, равную разности выталкивающей (архимедовой) силы и силы тяжести:

,

где g – ускорение свободного падения.

Около холодной стенки разность (t_c – t_ж(г)) отрицательна, и естественное движение становится опускным. Интенсивность естественной конвекции невелика.

Вынужденная конвекция создаётся внешним источником напора (насосом, вентилятором, ветром); значение напора может быть выбрано по соображениям необходимости, например, обеспечение отвода заданного количества теплоты. Скорость движения жидкости (газа), связанная с напором квадратичной зависимостью, велика в объёме потока и близка к нулю в пристенной области вследствие действия сил вязкости и эффекта прилипания. Область развитого (турбулентного) потока и твёрдая стенка разделены тонким пограничным слоем с ламинарным (низкоскоростным, плавным) режимом течения жидкости (газа). В ламинарном слое преимущественным механизмом переноса теплоты является теплопроводность. Переход от ламинарного течения к турбулентному происходит при некотором (критическом) значении скорости: безвихревое движение внезапно сменяется хаотическим.

Отмеченные обстоятельства непосредственно влияют на коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции, который зависит и от многих других величин:  = f (, , w, c, p, , l…). На основании теории подобия множество факторов (скорость w, плотность , вязкость , линейный размер l и др.) удаётся свести в малое число безразмерных комплексов – чисел (критериев) подобия:

Nu = f (Re, Pr),

где Nu – число Нуссельта, Nu = (l) / ; Re – число Рейнольдса, Re = wl/; Pr – число Прандтля, Pr = (c) / .

В координатах Nu, Re, Pr построены компактные номограммы, позволяющие вычислять коэффициент теплоотдачи с учётом реальных условий омывания. Критериальный подход реализован и в случае естественной конвекции.