3 Теплоотдача в жидкостях и газах

Теплоотдача при вынужденном течении в каналах. Интенсивность теплообмена в прямых гладких трубах зависит от режима течения потока, определяемого величиной . Если , то течение ламинарное. Для труб . Развитый турбулентный режим течения устанавливается при значениях ; значение соответствует переходному режиму.

При ламинарном течении наблюдается значительное изменение температуры по сечению и соответствующее изменение плотности текущей жидкости. Вследствие этого на вынужденное течение накладывается свободная конвекция. Для ориентировочных расчетов среднего коэффициента теплоотдачи можно рекомендовать следующее критериальное уравнение:

, (29)

где − Критерий Рэлея, характеризующий интенсивность свободной конвекции; − коэффициент, учитывающий относительную длину трубы (при ). Влияние направления теплового потока учитывает множитель . Индекс “с” означает, что физические свойства капельной жидкости берутся по значению средней температуры стенки. Для газа эта поправка лишена смысла и не должна учитываться.

В этом уравнении геометрический размер − диаметр трубы (или эквивалентный диаметр канала), определяющая температура – средняя температура потока.

14

При турбулентном течении жидкость в потоке весьма интенсивно перемешивается и естественная конвекция проявляется слабо. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном течении обычно используется следующее критериальное уравнение:

. (30)

Это уравнение справедливо при . В качестве определяющего размера принят диаметр круглой трубы или эквивалентный диаметр, в качестве определяющей температуры – средняя температура потока.

Пример 4. По трубе с диаметром и длиной движется вода со скоростью . Средняя температура поверхности трубы . Определить коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воде и среднюю по длине трубы плотность теплового потока.

Решение. При свойства воды: , , .

При критерий .

Критерий Рейнольдса

.

Режим течения – турбулентный. Число Нуссельта теплоотдачи

.

Коэффициент теплоотдачи

.

Линейная плотность теплового потока

.

Теплоотдача при поперечном обтекании труб. Теплообмен имеет ряд особенностей, которые объясняются своеобразием течения вблизи поверхности трубы. Образующийся пограничный слой имеет наименьшую толщину в лобовой точке и далее постепенно нарастает до тех пор, пока не произойдет отрыв потока и образование вихревой зоны, охватывающей кормовую часть трубы. Это приводит к существенной интенсификации теплоотдачи. Для расчета среднего по поверхности трубы коэффициент теплоотдачи рекомендуется следующее критериальное уравнение

, (31)

где , при и , при . В качестве определяющего размера принят внешний диаметр трубы , определяющая температура – температура внешнего потока, определяющая скорость – скорость набегающего потока. Уравнение справедливо для поперечного обтекания: угол между направлением потока и осью трубы составляет .

В теплообменных системах с целью увеличения площади теплообмена трубы собирают в пучок с коридорным или шахматным расположением. Для расчета используют уравнение, аналогичное (29), в котором учитывается тип пучка, влияние относительных шагов , количество рядов труб в пучке, угол атаки набегающего потока и др.

Теплоотдача при свободной конвекции. Значительную роль в технике имеют процессы теплообмена при свободной (термогравитационной) конвекции, возникающей вследствие разности плотностей нагретых и холодных макрообъемов жидкости (газа). Границы ламинарного и турбулентного режимов течения зависят в основном от температурного напора

15

. Форма тела в развитии течения играет второстепенную роль. Основное значение

имеет протяженность поверхности, вдоль которой движется свободный поток жидкости (газа). Среднюю теплоотдачу при свободной конвекции в большом объеме можно рассчитать по следующему уравнению:

, (32)

где , − критерий Грасгофа; − коэффициент теплового расширения (для газа ).

Для горизонтальных труб (определяющий размер − диаметр трубы: )

, при ,

, при .

Для вертикальных труб и плит (определяющий размер − высота: )

, при ,

, при .

В качестве определяющей температуры принята средняя температура в пограничном слое: .

В узких каналах и щелях вследствие ограниченности пространства и наличия восходящих и нисходящих потоков условия свободного движения значительно изменяются. В данном случае применяют метод эквивалентной теплопроводности: средняя плотность теплового потока рассчитывается по формуле теплопроводности (10), в которой коэффициент теплопроводности заменен величиной . Коэффициент учитывает перенос тепла конвекцией. Если критерий , то коэффициент . В области коэффициент . В качестве определяющего размера принята толщина прослойки, определяющей температуры – средняя температура жидкости (газа) .