Основной закон конвективного теплообмена
Обычно жидкие и газообразные теплоносители нагреваются или охлаждаются при соприкосновении с поверхностями твердых тел. Например, дымовые газы в печах отдают теплоту нагреваемым заготовкам, а в паровых котлах – трубам, внутри которых греется или кипит вода; воздух в комнате греется от горячих приборов отопления и т.д. Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью называется теплопередачей, а поверхность тела, через которую переносится теплота, - поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.
Согласно закону Ньютона и Рихмана тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален площади поверхности теплообмена F и разности температур поверхности tc и жидкости tж:
Q=aF½tc-tж½
В процессе теплоотдачи независимо от направления теплового потока Q (от стенки к жидкости или наоборот) значение его можно считать положительным, поэтому разность tc-tж берут по абсолютной величине.
Коэффициент пропорциональности a называется коэффициентом теплоотдачи; его единица измерения Вт/(м2×К). Он характеризует интенсивность процесса теплоотдачи. Численное значение его равно тепловому потоку от единичной поверхности теплообмена при разности температур поверхности и жидкости в 1 К.
Коэффициент теплоотдачи обычно определяют экспериментально, измеряя тепловой поток Q и разность температур Dt= tc-tж в процессе теплоотдачи от поверхности известной площади F. Затем по формуле Q=aF½tc-tж½ рассчитывают a. При проектировании аппаратов (проведении тепловых расчетов) по этой формуле определяют одно из значений Q, F или Dt. При этом a находят по результатам обобщения ранее проведенных экспериментов.
Коэффициент теплоотдачи a зависит от физических свойств жидкости и характера ее движения. Различают естественное и вынужденное движение (конвекцию) жидкости. Вынужденное движение создается внешним источником (насосом, вентилятором, ветром). Естественная конвекция возникает за счет теплового расширения жидкости, нагретой около теплоотдающей поверхности в самом процессе теплообмена. Она будет тем сильнее, чем больше разность температур Dt= tc-tж и температурный коэффициент объемного расширения:
где n=1/r - удельный объем жидкости.
Для газов, которые в большинстве случаев приближенно можно считать идеальными, коэффициент объемного расширения можно получить, воспользовавшись уравнением Клапейрона:
b=1/Т
температурный коэффициент объемного расширения капельных жидкостей значительно меньше, чем газов. В небольшом диапазоне изменения температур, а значит, и удельных объемов производную в уравнении можно заменить отношением конечных разностей параметров холодной (с индексом «ж») и прогретой (без индексов) жидкости:
разность плотностей rж-r=brж(t-tж) приводит к тому, что на любой единичной объем прогретой жидкости будет действовать подъемная сила Fп, равная алгебраической сумме выталкивающей архимедовой силы А=-rж×g и силы тяжести G=r×g:
Fп=A+G=-g(rж-r)=-brж(t-tж).