Конвективный теплообмен
Под конвекцией понимают движение микрочастиц относительно друг друга. Любое движение связано с переносом кинетической энергии, а следовательно с изменением температуры. Поэтому, если среда имеет неравномерную температуру, то процесс конвекции будет направлен на ее выравнивание по всему объему.
В зависимости от причин вызывающих движение частиц жидкости или газа, различают два вида конвекции свободную и вынужденную. Свободная конвекция (естественная) – это движение частиц за счет действия на них подъемной силы в результате разности плотности. Интенсивность такой конвекции будет зависеть от рода вещества, разности температуры отдельных частиц вещества и от объема пространства, где происходит движение частиц. Вынужденная (принудительная или искусственная) конвекция вызывается работой посторонних возбудителей (вентилятор, насос и пр.) и возникает он в результате разности давлений, создаваемой этими возбудителями.
Большое значение в интенсивности конвекции имеет режим движения жидкости или газа. Различают два режима движения: ламинарный и турбулентный.
Ламинарный режим движения характеризуется параллельным перемещением слоев жидкости относительно друг друга. Профиль скоростей, взятый по сечению канала, при таком движении имеет вид правильной параболы (рис. 2.6, а). Теплообмен в потоке жидкости не интенсивный и осуществляется в основном за счет теплопроводности слоев.
Турбулентный режим движения характеризуется непостоянством скорости отдельных частиц. Движение представляется вихревым, пульсирующим и прерывистым. Профиль скоростей, взятый по сечению канала, имеет вид усеченной параболы (рис. 2.6, б). Интенсивность теплообмена при таком движении очень высока, так как жидкость постоянно перемешивается.
Рис.2.6. Профили скоростей при ламинарном режиме течения жидкости (а)
и при турбулентном течении жидкости (б)
Переход от одного режима движения жидкости к другому осуществляется при достижении критического значения числа Рейнольдса:
.
Число Рейнольдса определяется 
,
где ω –– скорость движения потока, м/с; d –– геометрический параметр, характеризующий размеры канала, м; υ (ню) –– кинематическая вязкость вещества, м2/с.
При 
–– режим движения потока считается ламинарным;
При 
–– режим движения потока считается турбулентным.
Как правило, движущаяся среда не имеет температурного напора, поэтому конвективный теплообмен сводится к обмену тепловой энергии между поверхностью твердого тела и окружающей ее средой. Поэтому, конвективный теплообмен принято называть теплоотдачей. Такие процессы имеют место быть в энергетических котлах, где внутри труб кипит вода, в теплообменниках при нагревании различных сред, в системах отопления, где воздух нагревается от приборов отопления и т.д. Теплота здесь переноситься движущимися частицами жидкости или газа. Поэтому, чем больше скорость движения жидкости или газа, тем лучше они перемешивается, тем интенсивнее происходит конвективный теплообмен. Кроме того, конвективный теплообмен включает также и теплопроводность, поскольку имеет место соприкосновение частиц жидкости друг с другом и поверхностью нагрева.
Количество теплоты, передаваемое конвекцией, рассчитывается по уравнению теплоотдачи Ньютона-Рихмана:
, (2.39)
где α – коэффициент теплоотдачи, характеризующий интенсивность теплообмена на поверхности тела, Вт/(м2∙К); tст и tж – соответственно температура стенки и жидкости, ºС.
Определение коэффициента теплоотдачи вызывает собой основное затруднение при расчете конвективного теплообмена, так как на коэффициент α влияют множество различных факторов. Основными из них являются природа возникновения движения жидкости, режим ее течения и теплофизические свойства.
Кроме того на теплоотдачу влияют физические свойства жидкости (теплопроводность λ, теплоемкость с, плотность ρ, вязкость ν, коэффициент теплового расширения β и температуропроводность а, форма и размеры теплообменной поверхности, а также ее положение в пространстве.
Точное значение коэффициента теплопроводности можно установить только опытным путем. Для аналитического определения α необходимо составить шесть дифференциальных уравнений, при решении которых появляются девять констант, а для их нахождения необходимо решить еще четырнадцать уравнений.
Для упрощения расчетов теплоотдачи прибегают к критериям теплового подобия. Критерий подобия – это безразмерный комплекс, состоящий из величин, характеризующих рассматриваемое явление. При проведении опытов с целью нахождения коэффициента теплоотдачи в первую очередь измеряют те величины, которые входят в критерии подобия. А результаты опытов обрабатываются в форме критериальных уравнений, которые представляются в степенной зависимости:
, (2.40)
где К – определяемый критерий; С – константа подобия; 
– определяющие критерии; n1, n2, …, nz – показатели степени.
Наиболее часто в теории теплообмена используются следующие критерии подобия (числа):
– критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность конвективного теплообмена;
– критерий Рейнольдса, характеризующий интенсивность вынужденного движения;
– критерий Грасгофа, характеризующий интенсивность свободного движения;
– критерий Прандтля, характеризующий физические свойства жидкости.
Где d –геометрический размер тела, м; ω – скорость движения потока, м/с; ν – кинематическая вязкость потока, м2/с; β=1/(273+t) – коэффициент температурного расширения, 1/ºК; 
– температуропроводность, м2/с.
При свободной конвекции критериальное равнение имеет вид:
.
Для вынужденной конвекции
- при ламинарном движении 
;
- при турбулентном движении 
,
Значение констант С и показателей степени n для свободной конвекции приведены в табл. 2.2, а критериальные уравнения для различных режимов вынужденной конвекции приведены в табл.2.3.
Таблица 2.2: Значение С и n в зависимости от 
| Характер или режим теплообмена | Gr·Pr | С | n |
| Псевдо теплопроводность | 1·10-3 ... 5·102 | 1,18 | 0,125 |
| ламинарный | 5·102 ... 2·107 | 0,54 | 0,25 |
| переходный и турбулентный | > 2·107 | 0,135 | 0,33 |
Таблица 2.3: Критериальные уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи
при различных режимах вынужденного течения жидкостей (газов)
| Условия движения потока | Характер движения потока | Критериальное уравнение | |
| продольное обтекание тел | ламинарный пограничный слой
| 
| |
| турбулентный пограничный слой
| 
| ||
| поперечное обтекание тел: одиночное тело | ламинарный режим
| 
| |
| турбулентный
режим
| 
| ||
| поперечное обтекание тел: шахматный пучок | смешенный режим 
| 
| |
| поперечное обтекание тел: коридорный пучок | смешенный режим
| 
| |
Средний коэффициент теплоотдачи для всего пучка труб
| |||
| движение в трубах | ламинарный режим 
вязкостное течение
| 
| |
ламинарный режим
вязкостно-гравитационное течение
| 
| ||
турбулентный режим 
| 
| ||
При переходе вещества из одного состояния в другое интенсивность теплоотдачи сильно изменяется. Рассмотрим эти явления.
Теплоотдача при кипении. Процесс парообразования путем кипения жидкости характеризуется образованием новых свободных поверхностей раздела жидкой и паровой фаз внутри жидкости (рис. 2.7). Зарождаясь в отдельных точках обогреваемой поверхности, где работа сил адгезии наименьшая, пузыри пара увеличиваются и отрываются. Их рост и движение вызывает интенсивное перемешивание жидкости, что ведет к интенсификации конвективного теплообмена. Коэффициент теплоотдачи оказывается тем больше, чем больше центров образования и выше частота отрыва пузырей.
Механизм образования пара будет зависеть от температурного напора между поверхностью нагрева и жидкости 
. Зависимость коэффициента теплоотдачи и теплового потока от температурного напора графически будет иметь вид (рис.2.8): при значениях 
< 5 ºС (область А) количество отделяющихся пузырьков мало, поэтому интенсивность теплообмена определяется свободным движением жидкости и коэффициент теплообмена увеличивается слабо. Такой режим кипения жидкости называют конвективным. Дальнейшее увеличение температурного напора сопровождается ростом числа пузырьков пара, что соответствует режиму развитого пузырькового кипения (область B), при этом коэффициент теплоотдачи и тепловая нагрузка резко увеличиваются. При некотором значении отдельные пузырьки пара начинают соединяться и образовывать паровую пленку над поверхностью теплообмена. Пленка периодически разрушается и уходит от теплообменной поверхности в виде больших пузырей. Вместо разрушившейся образуется новая пленка. Такой режим кипения называют пленочным (области С и D). В этих условиях теплота передается теплопроводность, конвекцией и тепловым излучением. Так как теплопроводность пара меньше теплопроводности жидкости, то появление паровой пленки вызывает снижение теплоотдачи (область С) и тепловой нагрузки. Когда пленка устойчиво покроет всю поверхность, коэффициент теплоотдачи уже не изменяется, а тепловая нагрузка начинает вновь возрастать пропорционально (область D).
Рис. 2.8. Зависимость плотности теплового потока коэффициента теплоотдачи от
температурного напора
В области перехода от пузырькового кипения к пленочному наблюдаются максимальные значения q и α, поэтому, величины , q и α называют критическими. Критические значения этих величин зависят от природы жидкости и от давления. Для воды 
ºС, qкр = 1,46·106 Вт/м2·и αкр = 5,85·104 Вт/(м2·град).
Коэффициент теплоотдачи при кипении жидкости можно определить
, (2.41)
где с – постоянный множитель, при ламинарном движении паровой пленки на вертикальной стенке с = 0,667, на горизонтальной стенке с = 0,53; λп (Вт/м·град), rп (кг/м3), mп (Па·с) – соответственно теплопроводность, плотность, и, динамическая вязкость пара; r – теплота конденсации греющего пара, кДж/кг; rж (кг/м3) – плотность кипящей жидкости; d (м) – геометрический размер стенки.
Теплоотдача при конденсации. При охлаждении пара ниже температуры насыщения (это температура, которая обуславливает переход пара из газообразной фазы в жидкую) он конденсируется, при этом выделяется некоторое количество теплоты. Освобождающаяся при конденсации теплота переходит к холодной поверхности.
Пар может конденсироваться как в объеме, так и на поверхности твердого тела или жидкости. В зависимости от состояния поверхности оседающий конденсат может принимать форму сплошной пленки (пленочная конденсация) или капель (капельная конденсация), бывает также смешанная конденсация. При пленочной конденсации пар отделен от поверхности тонким слоем жидкости, который создает значительное термическое сопротивление тепловому потоку. При капельной конденсации возможен непосредственный контакт пара со стенкой и поэтому теплообмен протекает во много раз эффективнее.
Изучение теплоотдачи при пленочной конденсации, которая имеет место в промышленных и энергетических тепловых установках, сводится к изучению теплообмена между твердой поверхностью и жидкостью, особенность которого состоит в том, что образование пленки происходит за счет фазного перехода газообразной среды в жидкую. Изменение температуры и коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации пара около вертикальной стенки показано на рис. 2.9.
При конденсации пара на вертикальной стенке толщина стекающее пленки увеличивается начиная от кромки стенки. Термическое сопротивление при передаче теплоты от пара к поверхности жидкости в момент конденсации не велико и температуру поверхности конденсата tж можно считать равной температуре пара tп. Другая сторона конденсата, обращенная к поверхности твердой стенки, движется в основном в ламинарном режиме, поэтому теплота, передаваемая через конденсатную пленку, будет определяться ее теплопроводностью. Следовательно, коэффициент теплоотдачи будет являться термическим сопротивлением теплопроводности конденсатной пленки:
. (2.42)
Из этого выражения видно, что при уменьшении толщины конденсатной пленки коэффициент теплоотдачи увеличивается. Размер конденсатной пленки и эффективность теплоотдачи будет зависеть от множества факторов:
1) от скорости и направления течения пара. При больших скоростях течения пара между ним и стенкой возникает трение, разрушающее слой конденсатной пленки;
2) от примесей газов. Присутствие газов в конденсатной пленке дает возможность образовываться газовым пузырям, которые увеличивают термическое сопротивление пленки и снижают интенсивность теплоотдачи в среднем в 2 раза;
3) от формы, размеров и положения в пространстве твердой поверхности. Эти условия влияют на условия стекания конденсата, а следовательно на интенсивность теплоотдачи;
4) давление насыщенного пара. Высокое давление пара разрушает конденсатную пленку, следовательно – увеличивает интенсивность теплоотдачи;
5) состояние поверхности. Чем более шероховатая поверхность, тем толще на ней может образоваться конденсатная пленка, а значит, уменьшается коэффициент теплоотдачи.
Средний коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации пара можно определить по формуле:
, (2.43)
где r – теплота конденсации греющего пара, кДж/кг; r (кг/м3), l (Вт/м·град), m (Па·с) – соответственно плотность, теплопроводность, динамическая вязкость конденсата при средней температуре пленки tср; Dt = tн – tср – разность температур конденсации пара и стенки, ºС; tн – температура насыщения, ºС; d – геометрический размер, м.