5.6. Теплоотдача при свободном движении жидкости

Теплоотдача при свободном движении теплоносителя широко используется как в быту, так и в технике. Например, комнатный воздух нагревается печами или отопительными приборами в условиях естественной конвекции. В технике такой теплообмен про­исходит при нагревании воды в паровых котлах, при охлаждении па­ропроводов, обмуровки котлов, промышленных печей и других тепло­вых устройств.

Свободный тепло­обмен возникает в неравномерно нагретом газе или жидкости, нахо­дящихся как в ограниченном, так и в неограниченном пространстве. Если тело имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, то слои жидкости, нагреваясь от тела, становятся легче и под дейст­вием возникающей подъемной силы поднимаются вверх, а на их место поступают из окружающего пространства более холодные слои. По­этому и возникает свободное движение.

На рис. 5.15 показаны картина свободного движения нагретого воз­духа вдоль вертикальной стенки и изменение при этом коэффициента теплоотдачи. На нижней части стенки при малых температурных напорах наблюдается ламинарный характер движения; с повышением температурного напора движение принимает своеобразную «локонообразную» форму, и затем эта переходная форма сменяется вполне разви­тым турбулентным движением, которое сохраняется уже на всем протя­жении трубы. В соответствии с изменением режима движения изменя­ется и коэффициент теплоотдачи : на нижнем участке по мере увеличе­ния толщины ламинарной пленки он уменьшается по высоте стенки, затем по мере турбулизации пограничного слоя возрастает по высоте стенки и стабилизируется на участке развитого турбулентного движе­ния.

Своеобразный характер перемещения жидкости отмечается около горизонтальных плоских стенок или плит, обращенных нагретой по­верхностью вверх. При большой площади поверхности в нагреваемой среде образуются местные восходящие и нисходящие потоки (рис. 5.16, а), а при малой площади поверхности устанавливается один восходя­щий поток (рис. 5.16, б). Для тех же плит, но обращенных нагретой по­верхностью вниз, движение жидкости происходит лишь в тонком слое под поверхностью (рис. 5.16, в)

Рис. 5.5. Характер свободного дви­жения нагретого воздуха и изменение вдоль вертикальной стенки

Рис. 5.16. Характер свободного движе­ния жидкости у нагретых горизонтальных плит

У горизонтальных труб малого диаметра восходящий поток сохраняет ламинарный режим да­же вдали от трубы. При большом диаметре переход в турбулентный режим может происходить в пределах поверхности самой трубы

Результаты многочисленных исследований показали, что при сво­бодной конвекции в неограниченном пространстве решающее значение имеют те особенности процесса, которые обусловлены физическими свойствами среды и действующим температурным напором. Это значит, что критерий Nu достаточно точно может быть функцией критериев Gr и Рг независимо от частных особенностей процесса (форма тела, вид жидкости, расположение тела в пространстве).

Аналитические решения задач по определению теплоотдачи при свободном ламинарном и турбулентном движении выполнены при це­лом ряде упрощающих допущений, поэтому эти решения большого практического применения не получили. Все наши знания по опреде­лению коэффициента теплоотдачи в основном базируются на экспе­рименте.

В результате обобщения опытных данных были полу­чены эмпирические уравнения подобия.

Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при свобод­ном ламинарном движении жидкости вдоль вертикальных стенок можно использовать следующие уравнение:

(5.24)

(5.25)

Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при свобод­ном турбулентном движении жидкости вдоль вертикальной стенки, которое наступает при числах Gr_ж,l·Pr_ж<6·10¹⁰, предло­жена следующая формула:

(5.25)

(5.26)

Д

(5.26)

ля определения средних коэффициентов теплоотдачи при свобод­ном ламинарном движении жидкости вдоль горизонтальных труб применяется формула

(5.26)

При обтекании свободным потоком воздуха горизонтальных труб применяют следующие формулы:

а

(5.27)

) при (ламинарный режим)

(5.27)

б

(5.28)

) при (переходный режим)

(5.28)

в) при (турбулентный режим)

(5.29)

(5.29)

В формулах (5.27) - (5.29) критерии подобия рассчитываются при средней температуре

t_ср = 0,5(t_ж+t_с) представляющей среднею арифметическую температуру жидкости (взятой вне зоны, охваченной циркуляцией) и стенки t_c.

Задание 2. По трубе с внутренним диаметром d = 50 мм течет вода со средней скоростью w. Средняя температура воды t_ж, температура стенки трубы t_ст постоянна. Определить среднее значение коэф­фициента теплоотдачи и количество передаваемого в единицу времени тепла (линейную плотность теплового потока, Вт/м), если относительная длина трубы l/d=100.

Таблица 5.1