Передача тепла конвекцией (конвективный теплообмен)

* См., например: X о б л е р Т. Теплопередача и теплообменники. М., Госхимиздат, 1960. 820 с.

Гл. VII. Основы теплопередачи в химической аппаратуре

это объясняется тем, что вблизи стенки образуется тепловой по- граничный слой, подобный гидродинамическому пограничному слою (см. стр. 47), но, как правило, отличающийся от последнего по толщине.

Если за пределами внешней границы теплового пограничного слоя преобладающее влияние на теплообмен оказывает турбулентный перенос, то в самом слое, по мере приближения к стенке, все большее значение приобретает теплопроводность, а в непосредственной близости от стенки (в весьма тонком тепловом подслое) перенос тепла по нормали и стенке осуществляется только теплопроводностью.

Тепловым пограничным подслоем считается пристенный слой, в котором влияние турбулентных пульсаций на перенос тепла становится пренебре- жимо малым. Подобно тому как при возрастании вязкости жидкости уве- личивается толщина гидродинамического пограничного подслоя, возраста- ние теплопроводности приводит к утолщению теплового пограничного

подслоя, в котором интенсивность

переноса тепла определяется коэффи- циентом температуропроводности а (м²1сек).

По аналогии с уравнением (VI 1,9) плотность турбулентного теплообмена <7_Т в направлении оси у выражается уравнением

£и

( г г

9т А.т

Рис. VI1-8. Структура теплового и гид­родинамического пограничных слоев.

называется т у р б у -

в котором величина X коэффициентом

лентной теплопроводности, или просто турбулентной теплопровод- ностью.

Так же как и турбулентная вязкость г_т (см. стр. 47), турбулентная теплопроводность Я,_т обусловливается не физическими свойствами среды, а конфигурацией и размерами поля температур, значениями осредненных скоростей турбулентного движения и другими внешними факторами. Значения Я_т во много раз превышают значения X, так как в ядре потока количество тепла, переносимое турбулентными пульсациями, гораздо больше, чем при переносе путем теплопроводности.

Интенсивность переноса тепла в ядре потока за счет А,_т определяется коэффициентом турбулентной температуропро­водности а_х= Я_т/ср. Величина а_т уменьшается вблизи стенки и на самой стенке обращается в нуль. Обычно принимают, что граница тепло­вого пограничного слоя соответствует геометрическому месту точек, для которых а_т = а, а внутри подслоя а £> а_Т, причем в пограничном тепло­вом подслое можно пренебречь количеством тепла, переносимым турбу­лентными пульсациями, и считать, что величина а целиком определяет перенос тепла.

Величины а и От являются аналогами известных из гидродинамики ве­личин кинематической вязкости V и турбулентной вязкости у_т. Числен­ные значения соответственно а_т и \_т, а также а и V в общем случае не совпа­дают, что и обусловливает различие толщин теплового и гидродинамиче­ского пограничных слоев (б_телл =£ б_гидр; рис. VI1-8). Эти слои совпадают по толщине только при V = а. Поскольку отношение v/a представляет собой (стр. 281) критерий Прандтля (Рг = v/a), то, очевидно, толщина теплового и гидродинамического слоев одинакова только при Рг = 1. Отсюда следует, что при Рг = 1 соблюдается подобие поля температур и поля скоростей, а критерий Прандтля можно рассматривать как пара­метр, характеризующий подобие этих полей,