2.2.6. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости

Интенсивность теплообмена при вынужденном движении жидкости изме-няется в широком диапазоне и в значительной степени зависит от режима течения. При ламинарном движении жидкости и большом температурном напоре в поперечном сечении потока может возникнуть свободное движение, обусловленное гравитационными силами. Поэтому среди ламинарных потоков жидкости различают два режима: вязкостный и вязкостно-гравитационный.

Вязкостный режим соответствует течению жидкости при отсутствии ЕС-тественной конвекции. При этом режиме передача теплоты к стенкам канала (и наоборот) осуществляется только теплопроводностью.

Вязкостно-гравитационный режим имеет место в случае, когда вынуж-денное движение жидкости сопровождается естественной конвекцией, которая нарушает ламинарность потока. При таком режиме течения теплота передается не только теплопроводностью, но и конвекцией. Например, в трубе, если критерий Рейнольдса Re = 2000…10000, то наблюдается переходный режим течения и теплообмена, а при Re > 10⁴ поток жидкости становится турбулентным.

Теплоотдача в трубах и каналах. Опытные данные по средним значениям коэффициента теплоотдачи в трубах и каналах при турбулентном и вязкостно-гравитационном режимах описываются уравнением

Nu_ж = С Re_ж^m Pr_жⁿ (Gr_жPr_ж)^к(Pr_ж /Pr_ст )^0,25 ε_l . (2.54)

За определяющую температуру принимается средняя температура жидкости, а за определяющий геометрический размер - внутренний диаметр трубы или эквивалентный диаметр для каналов сложного сечения. Режим течения опреде-ляется по средней скорости потока жидкости.

Коэффициент ε_l учитывает изменение среднего коэффициента теплоот-дачи по длине трубы или канала l. Если l/d ≥ 50, то ε_l = 1 (гидродинамически стабилизированный поток). При l/d < 50 значение ε_l > 1 и находится по справочной литературе, как ε_l = f (Re_ж , l/d ). Постоянные С, m, n, к в уравнении (2.54) выбираются по специальной литературе в зависимости от величины критериев Re_ж, Gr_ж, Pr_ж. Например, при вязкостно-гравитационном течении жидкости, когда (Gr_ж Pr_ж ) >10⁸ , C = 0,15, m = n = 0,33, к = 0,1. Если движение жидкости турбулентное Re_ж > 10⁴, то С = 0,021, m = 0,8, n = 0,43, к = 0.

Теплоотдача при внешнем обтекании труб. При поперечном обтекании одиночной трубы на ее лобовой части образуется пограничный слой, толщина которого увеличивается в направлении движения. В некоторой точке происходит отрыв пограничного слоя от поверхности, и в кормовой части трубы образуются два симметричных вихря. Положение точки отрыва пограничного слоя от поверхности зависит от критерия Re_ж и угла натекания . При сравнительно небольших критериях Re_ж отрыв пограничного слоя соответствует углу  = 82…84^о. При росте Re_ж движение в пограничном слое, омывающем трубу, переходит в турбулентную форму. В результате за счет роста кинетической энергии потока место отрыва пограничного слоя смещается вниз по потоку до углов  = 120…140^о, что приводит к уменьшению вихревой зоны за трубой.

Особенности течения жидкости вокруг трубы отражаются на условиях теплообмена между ее поверхностью и жидкостью. На рис. 2.8 изображена зависимость отношения местного коэффициента теплоотдачи α_φ к среднему для трубы коэффициенту теплоотдачи α от угла . С увеличением угла  коэффи-циент теплоотдачи падает, достигая минимума при  = 80…90^о, а затем возрас-тает до максимального значения при  = 95^о и снова уменьшается до второго минимума при  ~ 115^о С. Уменьшение коэффициента теплоотдачи на участке трубы происходит из-за роста толщины ламинарного пограничного слоя. Первый минимум на кривой соответствует переходу ламинарного течения в пограничном слое в турбулентный при Re_ж = 10⁵…4 10⁵. После этого коэффициент теплоотдачи резко возрастает. Второй минимум соответствует месту отрыва турбулентного пограничного слоя.

Р асчет средней теплоотдачи цилиндра, омываемого поперечным потоком жидкости, производится по уравнению

Nu_ж = С Re_ж^m Pr_жⁿ (Pr_ж / Pr_ст )^0,25 (2.55)

За определяющую температуру здесь принимается температура набегающего по-тока, а за определяющий размер – диаметр цилиндра. Критерий Re_ж подсчитывается по средней скорости набегающего потока.

Рис. 2.8. Коэффициент теплоотдачи Коэффициент С и показатели m и n

при поперечном обтекании трубы имеют следующие значения в зависимости

от критерия Re_ж:

Re_ж С m n При обтекании цилиндра потоком жи-

<10³ 0,5 0,5 0,38 дкости под углом ψ < 90^о в формулу (2.55) 10³ <Re_ж<2 10⁵ 0,25 0,6 0,38 вводится множитель ε_ψ = 1 – 0,54 соs² ψ.

2 10⁵ <Re_ж<3 10⁷ 0,23 0,8 0,37