Естественная конвекция (или свободное движение) жидкости возникает из-за разности плотностей нагретой и холодной жидкости. Плотность нагретых частиц жидкости меньше, поэтому теплая жидкость всплывает, а холодная опускается. Движение жидкости возникает без внешнего побуждения в результате самого процесса теплообмена, поэтому для обозначения процесса используется также термин — естественная конвекция. Типичная картина развития свободного движения воздуха вдоль нагретой вертикальной трубы показана на рис. 13.3.

1

Рис. 13.3. Свободное движение воздуха вдоль нагретой вертикальной трубы

При свободном движении жидкости температура ее в пограничном слое изменяется от значения tс до tж (рис. 13.4), а скорость движения изменяется от нуля у стенки до максимума, и на некотором расстоянии от стенки затухает, снова становится равной нулю (см. рис. 13.4). В начале движения толщина нагретого слоя мала, и течение имеет ламинарный характер. По мере движения толщина слоя увеличивается, течение становится неустойчивым, сначала возникает волнообразность, затем локонообразность, после чего развивается неупорядоченно-вихревое турбулентное течение слоя. Изменение характера движения отражается на теплоотдаче. Ламинарное движение сопровождается возрастанием толщины пограничного слоя, и поэтому коэффициент теплоотдачи по направлению движения резко убывает (рис. 13.5). Возникновение турбулентного режима приводит к перемешиванию жидкости, из-за чего возникает теплоотдача, достигающая на некотором расстоянии от начала движения своего стабильного значения.

2

Рис. 13.4. Изменение tж и V при свободном движении среды вдоль нагретой вертикальной стенки

3

Рис. 13.5. Изменение коэффициента теплоотдачи по высоте трубы или пластины при свободном движении среды

На рис. 13.6 показано движение воздуха около нагретых горизонтальных труб. Как видно из рисунков, картина движения воздуха напоминает движение вдоль вертикальной трубы, отличаясь, однако, у труб большого и малого диаметра. При естественной конвекции форма тела играет второстепенную роль. Гораздо большее значение имеет протяженность поверхности, вдоль которой происходит движение, а также ее положение.

4

Движение жидкости около горизонтальных плоских поверхностей имеет другой характер и в значительной мере зависит от положения плиты и ее размеров. На рис. 13.7а приведена схема движения жидкости над нагретой плитой малого размера. Если плита имеет большие размеры, то из-за восходящего потока нагретой жидкости по краям плиты, центр ее оказывается изолированным, и вентиляция его происходит за счет провалов холодной жидкости сверху (рис. 13.7б). Конвекция жидкости резко снижается, если плита обращена нагретой поверхности вниз. В этом случае (рис. 13.7в) движение происходит только в тонком слое жидкости непосредственно под поверхностью нагрева, остальная масса жидкости остается неподвижной.

5

Рис. 13.7. Характер свободного движения жидкости около нагретых горизонтальных плит

При горизонтальном расположении теплообменных поверхностей критериальное уравнение теплообмена имеет вид:

6

Для вертикальных поверхностей теплообмена в зависимости от режима критериальные уравнения имеют вид:

§ для ламинарного режима, когда 7

8

§ для турбулентного режима, когда 7

9