1.11. Конвективный теплообмен и теплообмен излучением

Все тела, входящие в технологическую систему или подсистему,

соприкасаются и обмениваются теплотой с окружа­ющей средой. Это может быть теплообмен при естественной конвекции, когда узлы оборудования, заготовка или инструмент отдают теплоту в спокойный воздух, окружающий рабочие места. Теплообмен может происходить при вынужденной конвекции, когда твердое тело обменивается теплотой с жидкостью или газом, которые принудительно движутся от насоса, вентилятора или других устройств. Вынужденная конвекция происходит и в том случае, когда само тело перемещается в окружающей среде. На практике оба вида конвекции происходят одновременно, так как часть поверхностей твердого тела (например, резца) может отдавать теплоту в движущуюся среду (смазочно-охлаждающую жидкость), а другая часть — в условно неподвижную (окружающий воздух).

Ниже приведён основной закон Ньютона-Рихмана, описывающий процесс конвективного теплообмена. В соответствии с этим законом количество теплоты, передаваемой в твердое тело или уходящей из него при соприкосновении с жидкостью или газообразной средой,

,

где - коэффициент теплоотдачи, Вт/();S- площадь поверхности, на которой происходит теплообмен;    и  - соответственно температуры этой поверхности и среды;  — время.

Для определения коэффициента  и описания закономерностей процесса конвективного теплообмена в условиях, близких  к реальным, решают систему уравнений, подробно описанных  в   глава 2, численными методами на ЭВМ или используют обобщенные результаты экспериментов.

Экспериментальные данные обобщают с помощью системы критериев подобия. Для этого результаты экспериментов по определению коэффициентов теплоотдачи  представляют в виде критериального уравнения :

 ,

где: Nu = l/  безразмерный комплекс, называемый критерием Нуссельта; здесь — средние по омываемой поверхности значение коэффициента теплоотдачи; l - характерный размер;  - коэффициент теплопроводности среды.



Характерным размером считают: для плит и пластин — размер по направлению течения жидкости или газа; для цилиндров при обтекании поперек оси -диаметр; для некруглых тел  -эквивалентный диаметр :

=4F/P,

где: F - площадь поперечного сечения тела (канала, трубы), Р - полный смоченный периметр этого сечения.

В правую часть уравнения входит критерий Рейнольдса, который характеризует (скорость движения среды относительно твердого тела):

,

где   — скорость потока, м/с,  - кинематический коэффициент вязкости среды, м2/с.

Определенным диапазонам чисел Rе соответствуют определённые режимы движения жидкости (газа) — ламинарный или турбулентный. Например, течению жидкости в трубе при ламинарном режиме соответствуют значения Rе  2300, а при турбулентном Rе >2300. При продольном обтекании тел критическое значение Re, при котором начинается заметная турбулизация потока, составляет примерно .

Режим движения определяет механизм переноса теплоты внутри среды и на омываемой поверхности. Условия переноса теплоты в потоке жидкости или газа характеризуют критерием Пекле Ре=. Если числитель и знаменатель умножить на , то можно записать:

,

где:

,

Pr — критерий Прандтля, характеризующий способность теплоты распространяться в данной среде.

Рис.15. Формы паровых пузырьков при кипении жидкости.

В правую часть обобщенного уравнения входит критерии  Грасгофа:

учитывающий влияние естественной конвекции внутри среды. Значения Gг зависят от коэффициента объемного расширения среды , 1/С, ускорения свободного падения g= 9,81 м/с, а также от l, n, qs, q0. Расшифровав значения безразмерных критериев, поставим их в уравнение и после приведения подобных получим:

.