I. Конвекция = теплопроводность + перенос потоком
Теплопередача между теплоносителем и стенкой называется конвективной. По сути это теплопроводность пристеночного слоя жидкости, уносимая затем потоком. Закон охлаждения Ньютона сводит её к:
Q = h · A · ΔT
h — коэффициент теплоотдачи (Вт/м²·К), A — площадь, а ΔT — разность температур между стенкой и теплоносителем. Среди трёх видов теплопередачи конвекция труднее всего рассчитывается и больше всего заслуживает оптимизации, поскольку h сильно зависит от скорости потока, физических свойств и формы канала.
II. Вынужденная конвекция против естественной
- Естественная конвекция: Движима разностью плотностей (горячее вверх, холодное вниз), h обычно 5~25 Вт/м²·К, очень слабая;
- Вынужденная конвекция: Движима вентиляторами и насосами, h достигает 50~200 и выше, главная сила промышленного теплообмена.
Для одного теплообменника удвоение расхода воздуха повышает h примерно в 1,5~2 раза (прибл. h ∝ u^0,8), и теплопередача растёт соответственно. Поэтому при утилизации тепла сушильных выбросов расчёт скорости приточного воздуха часто важнее, чем кажется.
III. Почему турбулентность сильнее ламинарного течения
Чем быстрее теплоноситель, тем легче он переходит в турбулентность. При турбулентном течении жидкость перемешивается бурно, «пограничный слой» у стенки, почти неподвижный, истончается, термическое сопротивление резко падает, и h заметно растёт. Цена — рост энергопотребления вентиляторов/насосов и перепада давления. Проектирование — поиск баланса между ними.
IV. Два практических совета по подбору
- Не бойтесь повышать скорость потока: В пределах допустимого перепада давления умеренное ускорение — самый экономичный способ повысить эффективность;
- Следите за согласованием сторон: Типичная ошибка — одна сторона с очень высокой скоростью, другая — с низкой, и общий h тащит «короткая доска»; скорости сторон следует по возможности согласовывать.
Эффективность теплообменника часто зависит не от того, насколько дороги пластины, а от того, достаточно ли смело вы гоните теплоноситель быстро и хаотично.