Конвективный теплообмен. Конвективный теплообмен – это процесс переноса теплоты в неравномерно нагретой жидкой, газообразной или сыпучей среде

Конвективный теплообмен – это процесс переноса теплоты в неравномерно нагретой жидкой, газообразной или сыпучей среде, осуществляющийся вследствие движения среды и ее теплопроводности.

Конвективный теплообмен, протекающий на границе раздела двух фаз называется конвективной теплоотдачей.

Конвективный теплообмен зависит от физических свойств среды и характера ее движения. Различают:

- конвективный теплообмен при естественной (свободной) конвекции, когда движение среды обусловлено только действием силы тяжести на неравномерно нагретую и, следовательно, неоднородную по плотности среду;

- конвективный теплообмен при вынужденной конвекции, когда движение среды вызывается действием на нее насосов, вентиляторов, мешалок и т.п.

Если конвективный теплообмен сопровождается переходом среды из одного агрегатного состояния в другое, то его называют конвективным теплообменом при изменении агрегатного состояния (например, при кипении жидкости или при конденсации пара).

Конвективный теплообмен осуществляется в различных теплообменных и теплосиловых установках.

Для определения теплового потока q, Вт/м², передаваемого путем конвективного теплообмена, используется уравнение Ньютона:

,

где t_cm, t_ж – температуры на поверхности тела (стенки) и жидкости (или газа);

Δt = t_cm - t_ж – температурный напор, К;

α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К); это количество теплоты, передаваемой через единицу поверхности твердого тела в единицу времени при разности температур в один градус.

Коэффициент теплоотдачи колеблется в широких пределах и зависит от многих факторов движущейся среды (табл.3.2): агрегатного состояния, вязкости, сжимаемости, давления, температуры, теплоемкости, теплопроводности и т.д. Коэффициент α определяется в основном экспериментальным путем, и поэтому применим только при тех же условиях, в которых проводился эксперимент. При аналитическом определении коэффициента α в некоторых условиях используется теория подобия физических процессов и теория моделирования.

Таблица 3.2

Коэффициент теплоотдачи

Движущаяся среда	Характер движения
Свободное (ламинарное)	Принудительное (турбулентное)
Вода	100 ÷ 600	50 ÷ 10000
Вязкие жидкие среды	-	50 ÷ 500
Газы	3 ÷ 20	10 ÷100

Режим движения при расчете конвективного теплообмена определяется критерием Рейнольдса:

где с – скорость движения среды, м/с;

l – линейный размер, м;

- коэффициент кинематической вязкости среды, м²/с.

Считается, что при Re < 2320 движение среды ламинарное; при больших значениях Re движение турбулентное.

В теории подобия коэффициент теплоотдачи определяется с учетом критерия Нуссельта

,

где λ - – коэффициент теплопроводности движущейся жидкости или газа, Вт/(м·К).