Примером теплообмена при вынужденной конвекции может служить охлаждение потоком воздуха (ветром) стен здания, неизолированного трубопровода. При взаимодействии (обтекании) потока с конструкцией на поверхности выполняется условие прилипания, поэтому скорость среды равна нулю. В результате формируется пограничный слой. Тепловое взаимодействие движущийся среды с поверхностью тела главным образом определяется свойством пограничного слоя. При взаимодействии потока с плоской поверхностью толщина пограничного слоя растет в направлении движения. Режим течения в пограничном слое может быть ламинарным или турбулентным. Характер течения определяется числом Рейнольдса. При 
движение ламинарное, при 
движение турбулентное. Здесь 
скорость потока, м/сек; 
длина обтекаемой поверхности, м; 
коэффициент кинематической вязкости среды, 
/сек. Коэффициент теплоотдачи 
определяется через число Нуссельта, которое зависит от числа Рейнольдса:
(48)
при ламинарном режиме,
при турбулентном режиме [4].
Здесь 
число Прандтля 
и для воздуха 
. В этом случае (среда-воздух) 
ламинарный режим, 
турбулентный режим. При определении чисел значение 
берется при средней температуре между средой и поверхностью.
При определении и 
величины 
относятся к среде также берутся при средней температуре. Иногда число легче определить из выражения учитывающего, что 
, а 
. И тогда 
. Здесь 
коэффициент динамической вязкости среды, Па∙сек.
Теплообмен при естественной конвекции.
Коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции определяется аналогично предыдущему случаю:
В этом случае число Нуссельта зависит от критерия Грассхофа:
(49)
Здесь 
; 
коэффициент объемного расширения, 
. Для газов 
, для капельных жидкостей величина 
табличная; вертикальный размер конструкции, при горизонтальном расположении конструкции-горизонтальный размер, м; 
град; кинематический коэффициент вязкости среды, /сек; 
разность температур среды и конструкции. Число Нуссельта для различных режимов определяемых как [4]:
(50)
При 
При 
При 
При определении физических величин 
и т.д. следует брать среднюю температуру между средой и конструкцией. Естественная конвекция часто возникает в узких прослойках газа или жидкости (оконные блоки, тонкие слои жидкости) используются измененные формулы [5].
Лучистый теплообмен
Лучистый теплообмен часто встречается в теплофизике. При взрывах и пожарах тепловое излучение является важным элементом переноса энергии. Тепловое излучение не связано ни с одним из перечисленных ранее процессов переноса тепла. При нем происходит перенос внутренней энергии излучающего тела путем электромагнитных волн. Скорость переноса 300000 км/сек. При попадании на поверхность другого тела излучение взаимодействует с веществом. Часть энергии 
поглощается и переходит во внутреннюю энергию приемника, часть энергии 
отражается от поверхности. При взаимодействии с прозрачными средами часть энергии 
проходит сквозь вещество не взаимодействуя с ними. В результате можно написать, что общая энергия излучения 
или 
, где 
коэффициент поглощения; 
коэффициент отражения и 
коэффициент пропускания. Тело для которого 
называется абсолютно черным, при 
тело называется серым. При 
тепло абсолютно зеркальное, если отражение правильное и абсолютно белое, если отражение диффузное. Поверхностная плотность потока интегрального излучения абсолютно черного тела определяется суммированием энергии излучения телом по всем длинам волн. В результате получается известный закон Стефана-Больцмана:
температура излучателя в К.
Для серого тела вводится поправка на степень черноты
есть доля энергии поглощаемая телом. Если энергия излучается не в вакуум, а в среду с расположенными в ней предметами, имеющими температуру, то поток падающий на тело с температурой будет равен:
В дальнейшем рассматриваются конструкции со значением коэффициента 
, то есть непрозрачные и тогда 
. Если на тело со степенью черноты 
падает тепловой поток 
, то часть 
поглощается телом и идет на его нагревание, а часть 
отражается. В результате эффективный падающий поток
(51)
Закон Стефана-Больцмана определяет количество энергии, излучаемой телом по всем направлениям. Однако, интенсивность излучения зависит от направления по закону Ламберта: количество энергии, излучаемой под углом к нормали излучающей поверхности пропорционально 
.
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.
(52)
Если тело приемника излучения (его нормаль) находятся под углом к направлению 
, то эффективный тепловой поток падающий на приемник со степенью черноты , будет равен
(53)
|
|
площадь излучателя; 
расстояние от центра излучателя до центра приемника. | Приемник |
| Излучатель |
|
|
|
Рис. 6.
Если излучатель необходимо представить несколькими плоскостями с разными 
и 
, то результат достигается суперпозицией:
(54)
Приемник нагреваясь под действием внешнего излучателя сам начинает излучать по закону Стефана-Больцмана с интенсивность (не путать с отражением):
(55)
Если приемник имеет температуру 
и степень черноты 
, а излучатель соответственно 
и 
и они расположены параллельно друг другу, расстояние между ними 
, где 
характерный размер приемника и излучателя, то удельный тепловой поток от излучателя к приемнику 
равен [4]:
(56)
Если обозначить 
, то полный лучистый тепловой поток на площадь 
(площади равны).
(57)
|
|
|
|
Рис. 7.
Если одна поверхность полностью находится внутри другой, например, горящий факел внутри помещения, то осуществляется лучистый теплообмен между этими поверхностями в замкнутом пространстве. При этом на первую поверхность падает лишь некоторая часть энергии, излучаемой второй поверхностью (стенами), остальная энергия попадает на другие части стен. В этом случае тепловой поток можно определить по выражению *, приняв 
, а 
.
Лучистый тепловой поток зависит от четвертой степени температуры излучателя, и если его температура меняется, то решение и анализ процесса теплообмена затруднен, потому что нельзя определить критерий 
, время прогрева повехности 
и время прогрева тела 
. Эта трудность связана с отклонением закона теплообмена при излучении от зависимости 
. Для возможности анализировать и решать уравнение теплообмена с участием лучистых потоков производят операции линеаризации теплового потока излучения. Тепловой поток от нагретой конструкции преобразуют следующим образом:
(58)
И величину 
называют коэффициентом теплоотдачи при излучении. Температура 
выбирается как предельная температура, до которой может нагреться температура поверхности. Определение этой температуры отложим до конкретных примеров. Такое представление радиационного теплового потока дает возможность определить суммарный коэффициент теплоотдачи 
и находить 
и т.д.
Теплообмен при кипении
Процесс кипения жидкостей важен при определении скорости поступления горючих паров в зону горения, при испарении криогенных горючих жидкостей 
и т.д. Процесс кипения воды важен при охлаждении водой горящих объектов и предотвращении перегрева конструкций при пожаре. Кипение начинается, когда жидкость нагревается до температуры кипения (насыщения). При температуре кипения давление насыщенных паров сравнивается с внешним давлением. Так при температуре 
давление паров воды равно 1 атм., поэтому 
и есть температура кипения. При внешнем давлении меньше 1 атм. Температура кипения меньше, так как облегчаются условия для роста пузырей. Рассмотрим наиболее интересный случай: емкость с жидкостью (пусть это будет вода) нагревается внешним источником. В местах нагревания температура поверхности емкости растет согласно выражению:
Это уравнение записано для случая термически тонкой оболочки емкости. Здесь 
; ; 
.
число Нуссельта для случая турбулентного режима естественной конвекции в воздухе около поверхности емкости. 
предельная температура поверхности емкости. 
число Нуссельта для случая турбулентного режима естественной конвекции в жидкости. Индекс «2» означает принадлежность к жидкости. В рассматриваемом случае предельная температура поверхности может быть взята как температура кипения жидкости. С этого момента начинается кипение жидкости в месте обогрева, но в основном объеме емкости средняя температура жидкости ниже температуры кипения. Такое кипение является кипением с недогревом. [4]
| Пузырьковое кипение |
|
| Неустойчивое кипение |
| qкр2 |
| qкр1 |
| Ткк |
| Пленочный режим кипения |
| Естественная конвекция |
| 0.1 |
| 1.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ё |
| ∆Т |
| ∆Ткр1 |
| ∆Ткр2 |
Рис. 4. Зависимость плотности теплового потока 
и коэффициента теплоотдачи от перегрева стенки 
(в логарифмических коэффициентах).
Механизм кипения (парообразования) и интенсивность теплообмена определяются разностью температур стенки и жидкости (температурным напором) 
. На рис.8 изображена зависимость коэффициента теплоотдачи и тепловой нагрузки (плотность теплового потока) от температурного напора. При значениях 
количество образующихся и отрывающихся от стенки пузырьков невелико и пузыри не достаточно перемешивают жидкость и поэтому интенсивность теплообмена контролируется естественной конвекцией жидкости до 
, где температурный напор означает переход от конвекции к кипению. Границу перехода 
можно определить приравняв 
коэффициенту теплоотдачи при пузырьковом кипении [5]:
(59)
где 
; 
плотность жидкости; 
плотность пара при температуре кипения. Для воды 
. Представляя плотность теплового потока при пузырьковом кипении как 
и приравнивая 
и 
получается соотношение для определения :
где 
где 
средняя температура жидкости. При кипении с недогревом можно принять 
. При 
получается квадратное уравнение, так как 
.
Таким образом, после наступления пузырькового кипения тепловой поток растет до тех пор пока он не достигнет значения 
или не выполнится условие
(60)
В литературе по кипению для определения первого критического теплового потока 
используется выражение:
(61)
теплота испарения жидкости при 
. При кипении с недогревом следует учитывать теплоту нагревания жидкости до 
, тогда 
. Зная можно легко определить 
и 
.
Действительно:
(62)
Откуда 
(63)
(64)
После достижения первого кризиса кипения на поверхности кипения начинает заметно расти площадь паровых включений. В результате так как теплопроводимость пара значительно меньше чем жидкость, результирующий тепловой поток уменьшается даже при увеличении температурного напора. Наконец при температуре 
наступает так называемый второй кризис кипения и начинается пленочное кипение. Тепловой поток при втором кризисе кипения определяется из выражения (6):
(65)
Температурный напор при втором кризисе кипения может определяться из выражения:
(66)
И из предположения, что соответствует температуре предельного перегрева [5,7]. Коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении имеет постоянное значение и может определяться из выражения [5]:
(67)
Физические свойства пара в этой формуле следует выбирать по средней температуре пара. Если отсутствуют данные по температуре предельного перегрева жидкости, то определяется по (54). Температура второго кризиса кипения зависит от теплофизических свойств нагревающей поверхности
(68)
где 
критическая температура; 
температура кипения жидкости; 
теплофизические параметры нагревающей поверхности.
В [5 Михеев] предлагается определять ΔТкр2 как
(69)
Константа С=0,8 ÷1.
(70)
Где ΔТпл =Тпл – Тк, Тпл – температура предельного прогрева.