Распределение вдоль трубы

При ламинарном режиме ( ) значения локального коэффициента теплоотдачи уменьшаются на начальном тепловом участке, а затем стабилизируются, что описывается уравнениями (Т21), (Т18) (рис. …).

Если , то сначала также происходит падение локального коэффициента теплоотдачи по мере нарастания ламинарного погранслоя. Однако с появлением турбулентного перемешивания на переходном режиме значения возрастают, а затем, при развитом турбулентном режиме, вновь несколько уменьшаются до окончания начального теплового участка, после чего стабилизируются (рис. …).

Впрочем, при длины участков с ламинарным и переходным режимами малы, и их можно не рассматривать.

Теплоотдача в каналах некруглого сечения Понятие эквивалентного (гидравлического) диаметра

Считается, что приемлемую точность при расчете теплоотдачи и сопротивления в некруглых трубах и каналах на турбулентном режиме даёт применение формул для “эквивалентных” круглых труб с внутренним диаметром

, (Т36)

где f – площадь сечения канала (поперечное живое сечение),

– смоченный периметр сечения.

Можно применять также формулу

,

где V – внутренний объем, занимаемый жидкостью,

F –площадь внутренней смоченной поверхности канала.

Величина (также обозначаемая иногда или ), называется эквивалентным диаметром (или гидравлическим диаметром).

Ясно, что для круглых труб вследствие , будет .

Для прямоугольных каналов сечением имеет место , , откуда . В частном случае (квадрат) будет , а в случае бесконечной щели ( ) получится .

Для кольцевых каналов при диаметрах внутренней поверхности и внешней ввиду и получается .

Найденная величина используется при расчетах в качестве определяющего размера в , и т.д. (в частности, при расчете коэффициента сопротивления ).

Такой подход используется, например, при расчётах внешнего продольного обтекания труб в пучках, или каналов типа «труба в трубе».

Следует учитывать, что этот прием является приближенным, и вообще не рекомендуется для случая ламинарного режима.

Для некоторых видов каналов в справочниках имеются специальные формулы.

Теплоотдача в шероховатых трубах

Как изучалось в курсе Гидрогазодинамики, шероховатость влияет на сопротивление (и теплоотдачу) в турбулентном потоке, если бугорки шероховатости выступают из вязкого подслоя, то есть достаточно велики. Считается, что если бугорки находятся целиком в ламинарном подслое, то они обтекаются там безотрывно, не создавая заметных возмущений. То же, разумеется, имеет место, если поток полностью ламинарный. Когда бугорки выступают в турбулентный поток, за ними вследствие возмущения потока усиливаются пульсации, разрушающие вязкий подслой. При этом увеличивается как теплоотдача, так и сопротивление. Впрочем, при большой высоте бугорков (или очень близком расположении их друг за другом) между ними образуются “застойные” зоны, из-за чего теплоотдача может даже уменьшиться.

Таким образом, шероховатость в определенном диапазоне может быть полезной для увеличения теплообмена. Хотя при этом растет сопротивление, но в целом она может оказаться выгодной, особенно с учетом уменьшения размеров (или увеличения производительности) теплообменных аппаратов. Поэтому такую шероховатость создают специально для интенсификации теплообмена, чаще всего в виде кольцевых или спиральных канавок, вставок.

Обычно считается, что эффективны выступы или канавки высотой (глубиной) порядка с шагом или более (рис. …)

Имеются уравнения подобия для таких случаев, в которые входят безразмерные величины высот бугорков и шага, например:

(Т37)

для определенного диапазона значений , , и т.д.