В охлаждении электрических аппаратов весьма важную роль играет конвекция. Строго говоря, отвод тепла от нагретого тела осуществляется не только конвекцией, но и теплопроводностью. Теплоотвод излучением здесь не рассматривается. При движении охлаждающей жидкости или газа относительно нагретого тела температура жидкости в разных точках становится различной. Разность температур вызывает передачу тепла путем теплопроводности. Однако этот процесс играет некоторую роль только в непосредственной близости к нагретому телу, где скорость движения охлаждающей жидкости близка к нулю. Таким образом, конвекция теснейшим образом связана с движением охлаждающей среды. Это движение может быть свободным и вынужденным; режим движения может быть ламинарным или турбулентным; жидкость может быть сжимаемой (газ) или несжимаемой (собственно жидкость).
Рис. 2.3. Схема движения жидкости у нагретой поверхности: а — картина движения жидкости у твердой поверхности; б — распределение температур; I — область ламинарного движения; 2 — область турбулентного движения
Свободным называется движение, возникающее в неравномерно нагретой жидкости (газе) вследствие того, что нагретые частицы имеют меньшую плотность, чем холодные, и стремятся перемещаться вверх, вытесняя холодные вниз. Возникает подъемная сила, под действием которой и происходит такое перемещение частиц.
Вынужденным называется движение жидкости, совершающееся под действием какой-либо внешней силы, например работы вентилятора или действия насоса, перемещающего жидкость в трубах.
Как свободное, так и вынужденное движение около нагретого тела может быть ламинарным или турбулентным.
Ламинарным называется такое движение, при котором частицы жидкости движутся параллельно друг другу. Оно имеет малую скорость. При повышении скорости характер движения жидкости изменяется. Струйки жидкости перестают двигаться по параллельным траекториям, происходит их завихрение и движение становится турбулентным, или вихревым. Переход из ламинарного движения в турбулентное происходит при некоторой скорости, называемой критической.
Схема движения жидкости в турбулентном режиме показана на рис. 2.3.
Из него видно, что в непосредственной близости к нагретой поверхности имеется тонкий слой жидкости (пограничный слой), в котором существует ламинарное движение. Дальше идет область турбулентного движения. На рис. 2.3, б показано распределение температуры в жидкости. В области ламинарного движения передача тепла осуществляется теплопроводностью, и падение температуры линейно. В области турбулентного движения передача тепла осуществляется путем перемешивания жидкости, следовательно, идет значительно легче, и падение температуры замедляется, так как небольшой разности температур между двумя точками достаточно, чтобы передать значительное количество тепла. Другими словами, тепловое сопротивление пути потока в этой области мало.
