29. Теплоотдача при течении жидкостей в трубах некруглого поперечного сечения, в изогнутых и шероховатых трубах

Расчет сводят часто к определению той же величины, в некоторой эквивалентной трубе круглого поперечного сечения с диаметром

, где f – поперечное жив. сечение трубы, P – смоч. переменное сечение.

Средние коэффициенты теплоотдачи на внутренней стенке при турбулентном сечении газов и кап. жидкостей в каналах кольцевого поперечного сечения можно рассчитать по формуле:

Здесь определяется размер

Эта формула справедлива при и .

При движении жидкости в изогнутом канале

Возникает центробежные силы, создающие в поперечном сечении циркулярные токи, так называемую вторичную циркуляцию. В результате возникает сложное движение по винтовой линии.

Экспериментально было установлено, что вторичная циркуляция возникает только при больших некоторого принятого значения , причем для прямой трубы.

(для d/R 8 )

При дальнейшем увеличении может наступить развитое турбулентное течение. В винтовых змеевиках для прямых труб.

(для )

При - ламинарное течение без вторичной циркуляции (область 1)

- ламинарное течение с вторичной циркуляцией (область 2)

- турбулентное течение при наличии вторичной циркуляции (обл. 3)

Для второй области

Для третьей области

Теплоотдача в шероховатых трубах

1) (бугорки шероховатости глубоко погружены в подслой). При этом нет никакой разницы между глад­кой и шероховатой трубами.

2) - течение в вязком подслое нару­шается, происходит отрывное, вихревое обтекание бугорков шероховатости. Турбулентные пульсации увеличива­ются. Изменение течения приводит к увеличению теплоотдачи.

При лами­нарном течении коэффициент теплоотдачи и гидрав­лическое сопротивление независят от относительной

При турбулентном движении жидкости шероховатость начинает сказываться на теплоотдаче. При этом одновременно с ростом коэффициента теплоотдачи увеличивается и гидравлическое сопротивление . При определенных условиях теплоотдача шероховатой трубы может увеличиваться почти в три раза по сравнению с гладкой.

При (s – расстояние по потоку между соседними неровностями).

Для расчета

где при

при

при любом значении в интервале от 1 до 80.

Определяющая температура – средняя температура жидкости в трубе.

Определяющий размер - .

30. Теплоотдача при вынужденном обтекании труб и пучков труб Одиночная круглая труба.

Плавное безотрывное течение имеет место при

При дальнейшем увеличении вытягиваются по течению все дальше от трубы. Затем вихри периодически отрываются от трубы и уносятся потоком жидкости, образуя за цилиндром вихревую дорожку.

До частота отрыва вихрей растет, а затем в области примерно становится практически постоянной величиной, характеризуемой числом Струхаля

(f - частота)

Средний по окружности трубы коэффициент теплоотдачи :

При

При

При

Функции справедливы если угол атаки

При теплоотдача уменьшается

При

При - продольное омывание трубы.

Отрыв пограничного слоя и образование вихрей являются основной особенностью поперечного омывания трубы.

При сравнительно небольших числах Рейнольдса и малой степени турбулентности набегающего потока наблюдается отрыв ламинарного пограничного слоя. Он происходит при угле , равном примерно 82° (угол отсчитывается от лобовой образующей трубы), и имеет место вскоре после минимума давления.

Если числа Рейнольдса значительны, подтормаживание течения за счет роста давления приводит не к отрыву, а к переходу движения в слое в турбулентную форму. Турбулентный пограничный слой обла­дает большей кинетической энергией. В результате место отрыва резко смещается по потоку. Турбулентный слой отрывается при . Смещение места отрыва приводит к уменьшению вихревой зоны за цилиндром, обтекание цилиндра улучшается.

Турбулентное течение в части пограничного слоя наступает при достаточно больших значениях числа Re. Турбулентный пограничный слой появляется при .

Логично принять, что приближенно .

Средний по окружности коэффициент теплоотдачи описывается уравнениями:

При

При

При

Определяющий размер – внешний диаметр трубы.

Определяющая температура – средняя температура жидкости.

Теплоотдача при поперечном омывании пучков труб

В технике чаще встречаются два ос­новных типа трубных пучков: шахматный и коридорный.

Характеристикой пучка являются по­перечный шаг и продоль­ный шаг .

П учки еще характери­зуются внешним диа­метром труб и коли­чеством рядов труб по ходу жидкости.

В технике чаще встречается турбулентная форма течения жидкости в пучках. Так, например, поперечно-омываемые трубные поверхности нагрева котлов омываются турбулентным потоком.

Однако и при турбулентном течении имеют место различные зако­ны теплообмена. Это объясняется различным характером течения на стенках труб. Закон теплоотдачи изменяется при появлении на поверх­ности труб турбулентного пограничного слоя. Согласно опытам с оди­ночными трубами турбулентный пограничный слой на стенке появляет­ся при . На трубах пучка турбулентный слой может появиться при меньших числах Re ( ). При этом в Re вводят скорость, подсчитанную по самому узкому поперечному сечению пучка; определяющий размер — внешний диаметр труб.

При передняя часть трубы омывается ламинарным по­граничным слоем, а кормовая — неупорядоченными вихрями. Таким об­разом, в то время как течение в пространстве между трубами является турбулентным, на передней половине трубы имеется слой ламинарно текущей жидкости — имеет место смешанное движение жидкости.

Можно выделить три основных режима омывания и теплоотдачи в по­перечно-омываемых трубных пучках:

- лами­нарный

- смешанный

- турбулентный

В настоящее время наиболее изученным является смешанный ре­жим, который часто встречается в технике. Ему соответствуют числа Re примерно от 1 10³ до 1 10⁵.

При этом режиме . Средний коэффициент теплоотдачи определенного ряда пучка:

где для шахматных пучков с=0.41 и n=0.60

коридорных пучков с=0.26 и n=0.65

Приравнивая коэффициент учитывается влияние относительной шагов. ( и - относительный поперечный и продольный шаг).

Для глубинных рядов коридорного пучка

Для шахматного при

при

1) средняя теплоотдача первого ряда различна и опре­деляется начальной турбулентностью потока;

2) начиная примерно с третьего ряда средняя теплоотдача стабилизируется, так как в глубинных рядах степень турбулентности потока определяется компонов­кой пучка, являющегося по существу системой турбулизирующих уст­ройств.

- коэффициент, учитывающий ряд и расположение (шахматное или коридорное)

Для определения всего пучка в целом необходимо произвести осреднение средних значений , полученных для определения рядов:

- средний коэффициент теплоотдачи i-го ряда

- суммарная площадь поверхности теплообмена трубок i-го ряда

- число рядов в пучке

Если , то

при этом

и

Поправочный множитель учитывает изменение теплоотдачи в начальных рядах труб.

В турбулентной области теплоотдача шахматных и коридорных пучков различается мало:

при теплоотдача глубинных рядов шахматного и коридорного пучков труб может быть рассчитана по:

В ламинарных областях теплоотдача шахматных пучков в 1,5 раза больше теплоотдачи коридорных.

Приведенные здесь данные относятся к случаю . Теплоотдача при рассматривается отдельно (жидкие )