4.7. Окремі випадки конвективного теплообміну

4.7.1. Теплообмін при течії у трубах

У випадку течії у трубах слід розрізняти початковий проміжок гідродинамічної і теплової стабілізації, на якому відбувається формування профілю швидкості і профілю температур, і проміжок стабілізованого руху течії. На початковому проміжку градієнт температур у тонкому шарі підігріваємої рідини дуже великий і по мірі віддалення від входу швидко зменшується. Тому на цьому проміжку  на початку швидко зменшується, а потім стабілізується при ламінарному режимі (рисунок.18 (а)), а при турбулентному після проходженні мінімуму збільшується внаслідок поступової турбалізації потоку, після чого стабілізується (рисунок. 18(б)).

Коефіцієнт тепловіддачі в залежності від режиму течії можна визначити за наступними критеріальними залежностями:

а) ламінарний режим ; Значення нижнє критичне значення числа

(121)

б) перехідний режим

(122)

(потік після одиничного збудження вже не повертається до ламінарного режиму)

в) турбулентний режим

(123)

де - коефіцієнт, який залежить від критерія поправка, враховуюча вплив початкового проміжку. Визначаюча температура – середня температура рідини, визначаючий розмір d_e дорівнює:

, де - переріз потоку, а - змочений периметр.

Рисунок 18. До теплообміну при течії в трубах.

Теплообмін в зігнутих трубах.

У техніці часто зустрічаються теплообмінні апарати, в яких один з теплоносіїв протікає в зігнутому каналі.

При русі в такому каналі в рідині виникають центробіжні сили, які утворюють в поперечному перерізі циркуляційні токи, так називаєма вторинна циркуляція (Рисунок. 19.а).

В результаті виникає складний рух рідини по винтовій лінії. Зі збільшенням радіусу R вплив центробіжного ефекту зменшується і в межі, при прямій трубі, зникає.

Вторинна циркуляція може спостерігатись як при турбулентному ,так і при ламінарному русі течії. В останньому випадку має місце впорядкований рух рідини зі складними траєкторіями не змішаних між собою струменів.

Рисунок 19 а. Течія в зігнутому каналі.

Експериментально було встановлено, що вторинна циркуляція виникає тільки при числах Re, більших деяких критичних чисел Re_кр, причому для прямої труби.

Для визначення при русі рідини у гвинтових змійовиках запропонована формула

(124)

де d - внутрішній діаметр труби,

R- радіус заокруглення змійовика. Ця формула справедлива при .

При подальшому збільшенні Re може наступити розвинений турбулентний рух течії. В зігнутих трубах (гвинтових змійовиках) критичне число Рейнольдса більше для прямих труб. При цьому перехід до закономірностей турбулентного режиму відбувається більш плавно, ніж в прямих трубах. При значення критичного числа Re для руху рідини у гвинтових змійовиках може бути визначено за формулою:

(125)

Згідно досліджень:

при для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі можна використати рівняння

(126)

Якщо ,то розрахунок тепловіддачі в зігнутих трубах слід вести за тією ж формулою, але отримане значення коефіцієнта тепловіддачі необхідно помножити на значення , яке для змійовикових труб визначається за формулою

(127)

У змійовиках дія центробіжного ефекту розподіляється на всю довжину труб.

Тепловіддача в шорстких трубах.

При турбулентному русі рідини в шорстких трубах відбуваються суттєві гідродинамічні перетворення.

Вони зв’язані з висотою горбика шорсткості  і товщиною в’язкого підшару _n. Спрощуючи явище, можна розглядати два основних випадки: горбики шорсткості глибоко занурені у підшар (<<_n) і горбики шорсткості виходять за межі в’язкого підшару (>>_n).

В першому випадку горбики шорсткості не порушують руху у підшарі, вони обтікаються без відриву. При цьому немає ніякої різниці між гладкою трубою і шершавою.

Якщо >>_n, рух у в’язкому підшарі порушується, відбувається

відривне, вихрове обтікання горбиків шорсткості. Турбулентні пульсації біля стінки особливо біля вершин горбиків, збільшується. Так, як при турбулентному русі рідини основний термічний опір ,передачі тепла, зосереджений у підшарі, то зміна руху призводить до збільшення тепловіддачі. При ламінарному русі коефіцієнт тепловіддачі і гідравлічний опір не залежать від відносної шорсткості. В цьому випадку тепловіддача може збільшуватись за рахунок того, що шорстка стінка має більшу поверхню теплообміну, ніж гладка (ефект оребрення).

При турбулентному русі рідини шорсткість починає відбиватись на тепловіддачі і гідравлічному опорі при різних значеннях чисел Re.Чим менше тим більше граничне число , яке відповідає зміні закону тепловіддачі.

При цьому одночасно зі збільшенням коефіцієнту тепловіддачі збільшується і гідравлічний опір .

Експерименти довели, що при певних умовах тепловіддача шорсткої труби може збільшуватись майже у 3 рази в порівнянні з гладкою. Це дозволяє використовувати шорсткість як засіб інтенсифікації теплообміну.

При нераціональному створенні шорсткості труби, коефіцієнт тепловіддачі може бути й нижчий, ніж для гладкої труби. Зниження може мати місце у випадку високих горбиків шорсткості, так як за ними біля поверхні стінки може утворитись застійна зона.

Доцільно створювати шорсткість з відносними кроками (s - відстань по потоку між сусідніми нерівностями).

При для розрахунку середнього коефіцієнта тепловіддачі можна використати формулу

(128)

де при

при

Ця формула отримана в результаті обробки дослідів по тепловіддачі при турбулентному русі теплоносіїв у трубах і кільцевих щілинах.