Конвективный теплообмен

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН, процесс переноса энергии (теплоты) между поверхностью конденсированной фазы (обычно твёрдой) и движущейся жидкостью. В теории теплообмена термином «жидкость» обозначают как капельную жидкость, так и газ. Конвективный теплообмен всегда включает молекулярный перенос энергии (теплопроводность) и собственно конвекцию, т. е. перенос энергии, вызванный макроскопическим перемещением в пространстве объёмов жидкости. Совместное действие двух механизмов переноса теплоты обусловливает зависимость конвективного теплообмена как от режима течения жидкости (ламинарного или турбулентного), так и от её теплофизических свойств (коэффициент теплопроводности, теплоёмкость и др.). Различают конвективный теплообмен  при естественной (свободной) и вынужденной конвекции. Если конвективный теплообмен  сопровождается фазовыми переходами (конденсация пара, кипение жидкости), то, в отличие от конвективного теплообмена в однофазной среде, его называют конвективным теплообменом при фазовых превращениях. Интенсивность теплообмена в этом случае обычно слабо зависит от скорости течения. В учебной и научной литературе обычно анализируют отдельно конвективный теплообмен  в однофазной среде и теплообмен при фазовых превращениях (смотри Теплообмен). Конвективный  теплообмен  на поверхности капельной жидкости обычно сопровождается переносом массы одного или нескольких химических компонентов через межфазную границу, т. е. массообменом. Процесс совместного переноса теплоты и массы называют тепломассообменом.

При анализе конвективного теплообмена различают задачи внешние (обтекание тел потоком жидкости) и внутренние (течение жидкости в каналах, теплообмен в камерах поршневых машин и др.). Для внешних задач из-за невозможности определения расхода жидкости, участвующей в теплообмене, тепловой баланс не составляется, для внутренних задач он - обязательная часть анализа. Целью теоретического анализа конвективного теплообмена является расчёт температурного поля в жидкости, для чего необходимо решить систему дифференциальных уравнений сохранения массы, импульса и энергии. Аналитические решения получены лишь для простой геометрии обтекаемых тел и только для ламинарных течений. В инженерных задачах определяют коэффициент теплоотдачи (КТО) - плотность теплового потока при температурном напоре (разности температур поверхности и жидкости), равном 1 К. КТО был введён как коэффициент пропорциональности а в соотношении, называемом законом Ньютона - Рихмана:

q = α ΔТ,

где q - плотность теплового потока на поверхности, Вт/м², ΔТ = Т_П-Т_Ж - температурный напор, К. Если поле температур определено теоретически, то КТО (с учётом закона теплопроводности Фурье) вычисляют как α = |(λ/ΔТ)(дТ/ду)_у=0|, где λ -коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/мК, у - координата, отсчитанная от поверхности. КТО является гидродинамической характеристикой жидкости; при идентичных гидродинамических условиях КТО выше у жидкостей с большей теплопроводностью.

Для расчёта интенсивности конвективного теплообмена обычно используют уравнения подобия, в которых КТО (безразмерный) представляется в виде Нуссельта числа или числа Стэнтона (Nu = αl/λ, St = α /(pc_pu₀), где р, с_р - плотность и изобарная теплоёмкость жидкости, l - характерный линейный размер области, u₀ - характерная скорость жидкости). Для ряда задач конвективного теплообмена при ламинарном течении уравнения подобия получены аналитически.

Для изотермической плоской пластины Nu_x = 0,332Re_x^1/2Pr^1/3, где Рейнольдса число (Re_x = ρu₀х/μ) характеризует соотношение сил инерции и вязкости в потоке жидкости; число Прандтля (Pr = μc_p/λ) - безразмерная характеристика теплофизических свойств жидкости; μ - динамическая вязкость жидкости. В числе Nu_x l= х, где х - расстояние от передней кромки обтекаемой пластины. Это уравнение определяет локальный КТО, зависящий только от гидродинамических параметров и свойств жидкости. По длине пластины КТО уменьшается с ростом толщины ламинарного пограничного слоя. При Re_x ≈3·10⁵ режим течения становится турбулентным, КТО сначала резко растёт, но далее снижается по мере возрастания толщины турбулентного пограничного слоя.

При ламинарном течении жидкости в каналах, начиная от входа, на стенках формируются динамический и температурный пограничные слои, КТО уменьшается по длине как х^-1/2 (гидродинамический начальный участок) или х^-1/3 (термический начальный участок), где х - расстояние от начала участка. За пределами начальных участков устанавливается стабилизированный теплообмен, когда Nu становится постоянным, не зависящим от Re (в каналах ламинарное течение сохраняется при значениях Re меньше критического; Re_Kp ≈ 2300).

При турбулентном течении в трубах практически важен режим стабилизированного конвективного теплообмена, поскольку из-за высокой интенсивности турбулентного переноса импульса и энергии формирование профилей скорости и температуры происходит на коротких расстояниях от входа в трубу. Общий вид уравнения подобия для стабилизированного конвективного теплообмена в трубах: Nu = f(Re, Pr). Надёжные расчётные уравнения получены на основе приближённых моделей и обобщения результатов опытных исследований и численного эксперимента (численного решения дифференциальных уравнений сохранения). Общая форма уравнения подобия справедлива и для других задач конвективного теплообмена при турбулентном течении, например для среднего КТО при поперечном обтекании труб.

При свободной конвекции скорость течения зависит от ускорения свободного падения g, температурного напора ΔТ, коэффициента объёмного расширения жидкости ß, кинематической вязкости жидкости ν = μ/ρ и характерного размера поверхности теплообмена l. Интенсивность конвективного теплообмена при свободной конвекции определяется критерием (числом) Грасгофа Gr = gßΔTl³/v². Общая форма уравнения подобия для свободной конвекции: Nu = f(Gr,Pr), его конкретные варианты для различной геометрии и пространственной ориентации поверхности и различных режимов свободноконвективного течения получены на основе модельных представлений и обобщения результатов физических и численных экспериментов.

Процессы конвективного теплообмена широко распространены в технике. Они являются неотъемлемой частью большинства промышленных технологий (в энергетике, нефтехимии, пищевой промышленности и т. п.), составляют основной принцип функционирования теплообменников различного типа, в значительной мере определяют схемы и конструктивные решения в системах тепловой защиты и жизнеобеспечения летательных аппаратов и других транспортных средств. В природе совместные процессы конвективного тепло и массообмена определяют взаимодействие атмосферы и океана.

Лит.: Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. М., 1987; Теплообмен в ядерных энергетических установках. 3-е изд. М., 2003; Цветков Ф. Ф., Григорьев Б. А. Тепломассообмен. 3-е изд. М., 2006; Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под редакцией А. В. Клименко, В. М. Зорина. 4-е изд. М., 2007.