Теплоотдача при естественной конвекции

 

Рассмотрим определение a при естественной конвекции. При обтекании тел средой, движение которой вызвано только различием температур среды у поверхности тела и в отдалении от нее перемещение масс среды, происходит под действием подъемной силы, возникающей в поле тяготения при изменении плотности нагреваемой и охлаждающей среды (т. е. возникает Архимедова сила). Ограниченная скорость гравитационной конвекции среды позволяет не учитывать тепло трения.

Рассмотрим [7], какая гидродинамическая обстановка соответствует обтеканию вертикальных плит, вертикальных валов и горизонтальных плит (см. рис.5.5, 5.6 и 5.7).

Все эти случаи можно описать уравнением вида [6]:

Nu = C_i × (Gr × Pr)ⁿ. (5.15)

Причем С₁ относится к теплоотдаче вертикальных и горизонтальных валов (характерный линейный размер соответственно длина и диаметр вала), шаров и вертикальных плит (характерный размер – высота плиты);

С₂ – горизонтальные плиты при теплоотдаче, направленной вверх;

С₃ – при теплоотдаче, направленной вниз.

Значения коэффициента С_i и показателя степени n в зависимости от произведения Gr × Pr приведены в таблице 4 [6].

Таблица 4

Gr × Pr	С1	С2	С3	n
10-3 - 102	1,18	1,53	0,83	0,125
5×102 - 2×107	0,54	1,70	0,34	0,25
> 2×107	0,135	0,176	0,09	0,33

.

Различные значения коэффициентов С₁, С₂, С₃ объясняются изменением условий обтекания тела средой, т. к. при естественной конвекции существенную роль играет размер ℓ омываемой поверхности, измеренный по вертикали. От него зависит толщина пограничного слоя и возможность изменения режима движения от ламинарного к турбулентному на различных участках поверхности твердого тела. Это влияет на среднее значение коэффициента теплоотдачи. С увеличением ℓ значение a возрастает. Естественная конвекция происходит более интенсивно при теплоотдаче вверх, чем при теплоотдаче вниз, т. к. в последнем случае само тело стоит на пути нагретых частиц жидкости или газа при их движении вверх.

Если естественная конвекция происходит в воздушной среде, то в уравнение (5.15) могут быть внесены дальнейшие изменения, т. к. для газов значение числа Прандтля (Рr) мало меняется с изменением температуры. Возрастание температуры воздуха от 20°С до 300°С вызывает изменение значения Рr на 4 %. Примером критериальной формулы типа (5.15) при условии, что Рrⁿ» 1 является выражение для определения коэффициента теплоотдачи от поверхностей деталей станков при естественной конвекции воздуха [8]:

, (5.16)

где К – коэффициент, зависящий от формы и расположения деталей металлорежущего оборудования (приведен в табл.5).

Таблица 5

Вертикальные и горизонтальные валы и плиты при теплоотдаче, направленной вверх, горизонтальной плиты шириной < 120 мм при теплоотдаче вниз	К =1,0
Горизонтальные плиты шириной в = 120 ¼ 400 мм при теплоотдаче вниз
Горизонтальные и вертикальные винты наружным диаметром d и внутренним d1