Пограничный слой (ПС), область течения вязкой жидкости (газа) с малой по сравнению с продольными размерами поперечной толщиной, образующаяся у поверхности обтекаемого твёрдого тела или на границе раздела двух потоков жидкости с различными скоростями, температурами или химическим составом. ПС характеризуется резким изменением в поперечном направлении скорости (динамический ПС), или температуры (тепловой, или температурный, ПС), или же концентраций отдельных химических компонентов (диффузионный, или концентрационный, ПС). На формирование течения в ПС основное влияние оказывают вязкость, теплопроводность и диффузионная способность жидкости (газа). Внутри динамического ПС происходит плавное изменение скорости от её значения во внешнем потоке до нуля на стенке (вследствие прилипания вязкой жидкости к твёрдой поверхности). Аналогично внутри ПС плавно изменяются температура и концентрация.

В тепловом ПС температура жидкости непосредственно у стенки равна температуре поверхности тела. Если тело обтекается жидкостью с малой скоростью, то внутри теплового ПС происходит монотонное изменение температуры жидкости от температуры поверхности до температуры внешнего потока. Если же тело обтекается сверхзвуковым потоком газа, то внутри теплового ПС вследствие торможения газа и перехода кинетической энергии во внутреннюю энергию молекул может возникать максимум температуры.

Теплопередача в пограничном слое обычно подразумевает перенос энергии между поверхностью твердого тела и прилегающего к ней движущейся жидкости или газа. Теплообмен подразумевает комбинацию диффузии или движения молекул в жидкости и макроскопическое движение жидкости или газа.

 

Рисунок 1 отражает теплопередачу в пограничном слое. Большее сопротивление потоку тепла оказывает пограничный слой с более медленной скоростью движения жидкости (газа). Возрастание скорости жидкости (газа), проходящего вдоль поверхности,  уменьшает эффективную толщину теплового ПС в результате сопротивление тепловому потоку уменьшается.

При турбулентном режиме частицы жидкости или газа, быстро двигаясь в поперечном сечении потока, не ударяются непосредственно о стенку, а действуют на пограничный слой и отдают ему свою теплоту. Дальнейшая передача теплоты стенке происходит в основном путем теплопроводности. При этом пограничный слой представляет собой основное сопротивление процессу. Такой вид переноса теплоты называют теплоотдачей. При ламинарном режиме пограничный слой как бы разрастается до заполнения всего сечения канала слоистой струёй, и конвекция сводится к одному направлению - параллельному стенке. При этом перенос теплоты к стенке определяется в основном теплопроводностью.
Теплопроводность и конвекция - два совершенно различных физических процесса. Теплопроводность - явление молекулярное, конвекция - явление макроскопическое при котором в переносе теплоты участвуют целые слои теплоносителя с разными температурами. Совершенно очевидно, что конвекцией теплота переносится намного быстрее, чем теплопроводностью, поэтому развитие турбулентности способствует ускорению конвективного переноса теплоты.

Наличие гидродинамического пограничного слоя вблизи поверхности стенки приводит к возникновению в нем большого перепада температур при теплопереносе (рис. 2.), т.е. образованию теплового пограничного слоя толщиной δ_t, значение, которой обычно не совпадает с толщиной гидродинамического пограничного слоя δ_r. Очевидно, что высокие скорости теплоносителя, интенсивное перемешивание вызывают как бы «сдирание» пограничных слоев, улучшая этим условия теплоотдачи.
Теоретически толщину пограничного теплового слоя можно рассчитать только для простейших случаев теплопереноса. Поэтому использование уравнения теплопроводности Фурье для описания процесса затруднительно, так как неизвестен закон распределения температур -∂t/∂l− в пограничном слое.

Теплоотдачу, так же как и конвекцию, подразделяют на свободную, или естественную (движение жидкости происходит вследствие разности плотностей в разных точках жидкости), и вынужденную, или принудительную (движение жидкости происходит вследствие затраты на этот процесс энергии извне с помощью насоса, мешалки и т. п.).
Обычно расчет скорости процесса, теплоотдачи осуществляют с помощью эмпирического закона охлаждения Ньютона или уравнения теплоотдачи:

В этом уравнении α - коэффициент пропорциональности, или коэффициент теплоотдачи. При установившемся процессе для всей поверхности теплоотдачи F уравнение принимает вид:

Найдем размерность коэффициента теплоотдачи:

Таким образом, коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя к 1 м² поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м² к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1 град.

В отличие от коэффициента теплопередачи К коэффициент теплоотдачи α характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе. Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов: режима движения и физических свойств теплоносителя (вязкости, плотности, теплопроводности и т.д.), геометрических параметров каналов (диаметра, длины), состояния поверхности омываемых теплоносителями стенок (шероховатая, полированная и т.п.). Таким образом, коэффициент теплоотдачи является функцией многих переменных, и простота уравнения только кажущаяся, так как получить аналитическую зависимость для определения α очень сложно.

Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей в трубах и каналах. Обычно в теплообменных аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чаще всего в технике формируется поверхность теплопередачи. Поэтому для расчета и рациональной эксплуатации теплообменников очень важно знание основных закономерностей переноса теплоты при движении теплоносителя в трубах.
При ламинарном движении теплоносителя, равномерном распределении скорости и температуры на начальном участке трубы у поверхности стенки образуются (рис. 1, а) пограничные слои толщиной δ_r, (гидродинамический) и δ_t, (тепловой). Толщина этих слоев по мере удаления от входа увеличивается, и на некотором расстоянии, называемом длиной участка гидродинамической (I_r) и тепловой (I_t) стабилизации, они смыкаются. При этом коэффициент теплоотдачи изменяется (рис. 1,б) от максимального значения на входе до практически неизменного после смыкания пограничных слоев. Явление резкого увеличения скорости переноса субстанции (в данном случае - теплоты) при входе потока в аппарат получило название «входной эффект». Очевидно, что для создания условий повышенных значений коэффициентов теплоотдачи целесообразно формировать теплообменники с длиной труб, незначительно превышающей I_t.

Теплоотдача при вынужденном поперечном обтекании труб. Для того чтобы лучше понять зависимость коэффициента теплоотдачи от гидродинамических условий обтекания теплоносителем наружной поверхности труб. При поперечном обтекании трубы на лобовой части ее поверхности образуется ламинарный пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается (рис. 1). При обтекании лобовой части трубы сечение потока уменьшается, скорость жидкости увеличивается, а давление у поверхности падает. В кормовой части трубы давление увеличивается, так как скорость уменьшается; скорость жидкости в пограничном слое также снижается, а начиная с некоторого сечения частицы движутся в обратном направлении, образуя вихри, которые периодически отрываются с поверхности трубы и уносятся потоком. При этом соответственно изменяется значение локального коэффициента теплоотдачи по поверхности (окружности) трубы (рис. 1, в, г). Максимальное значение на лобовой образующей трубы, где толщина пограничного слоя мала. Затем коэффициент теплоотдачи снижается за счет увеличения δ_r. Такой режим наблюдается при Re до 2*10⁵. При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса (при Re > 2^.10⁵) ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный, и точка отрыва перемещается в кормовую сторону трубы.

Локальный коэффициент теплоотдачи при этом может иметь два минимальных значения (рис. 1,г): одно - в точке перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный, другое - в точке отрыва от поверхности трубы турбулентного пограничного слоя.

Теплоотдача при естественной конвекции. Этот вид теплоотдачи возникает при движении теплоносителя за счет разности плотностей в различных точках его объема: более нагретые макрочастицы среды, имеющие меньшую плотность, поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз и затем, нагревшись, также движутся вверх. Таким образом возникают конвекционные токи теплоносителя. В этом случае теплоотдача должна зависеть от формы и размеров поверхности нагрева или охлаждения, температуры этой поверхности, физических свойств теплоносителя. Очевидно, что при естественной конвекции скорость движения теплоносителя может быть выражена как функция этих факторов. Поэтому критерий Рейнольдса из обобщенного уравнения теплоотдачи при естественной конвекции может быть исключен.