Свободная конвекция

В общем обмене тепла в помещении наряду с излучением существенную роль играет конвекция. Воздух обменивается теплом с охлажденными и нагретыми поверхностями ограждений и приборов систем отопления и охлаждения. В практических расчетах для определения количества тепла (Вт), передаваемого при конвективном теплообмене между жидкостью или газом и поверхностью твердого тела, пользуются формулой

, (8)

где F – поверхность твердого тела, м²;

t_в – температура жидкости или газа, град;

t_н – температура поверхности, град;

α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²ּ^оС).

Коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к показывает количество тепла (Вт), которое передается от жидкости или газа к 1 м² поверхности твердого тела при разности температур в 1 ^оС между жидкостью или газом и поверхностью.

На вид кажущаяся простой, формула (8) не решает задачи, а только переносит ее на выбор значений α_к. Для определения величины α_к для различных случаев конвективного теплообмена существуют ряд эмпирических формул в критериальной форме.

Около нагретых и охлажденных свободно расположенных поверхностей возникают конвективные потоки, определяющие интенсивность теплообмена между поверхностями и воздухом. Этот процесс называется свободной конвекцией. Если поверхность нагрета, то воздух около нее нагревается и поднимается вверх, вытесняемый снизу более холодным. В потоке около вертикальной поверхности образуется пограничный слой, толщина которого увеличивается снизу в направлении движения. В начальной зоне движения пограничный слой является ламинарным. На некотором расстоянии от нижней границы нагретой поверхности, когда толщина пограничного слоя достигает определенной величины, режим движения становится турбулентным (рис. 3). Аналогичная картина наблюдается около охлажденной поверхности, у которой поток свободной конвекции направлен вниз. В пределах толщины пограничного слоя изменяется температура и скорость воздуха: изменение температуры происходит в пределах теплового пограничного слоя толщиной δ_t, затухание скорости – в пределах гидродинамического пограничного слоя толщиной δ. В общем случае толщина этих слоев не одинакова.

При ламинарном режиме критериальное уравнение, определяющее интенсивность теплообмена в произвольном сечении х при Рr = 0,709, имеет вид

Рисунок 3 – Пограничные слои при свободной конвекции

Локальное значение критерия Нуссельта Nu_x, отнесенное к произвольному сечению х, составит

где α_кх – локальный коэффициент теплоотдачи;

λ – коэффициент теплопроводности воздуха.

Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена в пределах всей области ламинарного режима теплообмена от 0 до l_кр

Критериальное уравнение теплообмена в области турбулентного режима запишется следующим образом:

Уравнение для α_кх при температуре 20 ^оС имеет вид

(9)

Из формулы (9) видно, α_кх не зависит от геометрического параметра х и остается неизменным для всей области турбулентного режима.

Средние значения коэффициента конвективного теплообмена на вертикальных поверхностях ограждений в помещении без особой погрешности можно определить по формуле (9), так как перепадам температур и геометрическим размерам нагретых и охлажденных поверхностей, имеющих место в действительности, обычно соответствует турбулентный режим. При горизонтальном расположении нагретой или охлажденной поверхности для расчета средней интенсивности конвективного теплообмена можно тоже пользоваться формулой (9), но при этом значение коэффициента А в ней должно быть изменено так, как показано в таблице 1.

Таблица 1 – Значения коэффициента А при различных положениях поверхностей

Положение поверхности	Значение коэффициента А
Вертикальное	1,43
Горизонтальная поверхность, обращенная вверх:
нагретая	1,86
охлажденная	1,00
Горизонтальная, обращенная вниз:
нагретая	1,00
охлажденная	1,86

Движение воздуха в режиме свободной конвекции около нагретых и охлажденных горизонтальных поверхностей происходит иначе, чем около вертикальных. Если горячая поверхность обращена вверх или холодная вниз, то движение воздуха около них происходит, как показано на рис. 4а. Возникает так называемый «сахара-эффект», при котором воздух опускается к поверхности по границам своеобразных шестигранников и, нагревшись, поднимается в центрах этих шестигранников. Для нагретой горизонтальной поверхности, обращенной вниз, или холодной, обращенной вниз, движение воздуха показано на рис. 4б. В приведенных формулах за определяющую принимают обычно среднюю температуру воздуха и поверхности.