Отметим сразу, что рассматривается теплообмен в канале, на входе которого профиль скоростей уже стабилизировался, т.е. предполагается наличие предвключенного гидродинамического участка, на котором теплообмен отсутствует.

Вследствие этого при ламинарном режиме течения сила инерции становится пренебрежимо малой по сравнению с силой вязкостного трения, а мера их отношения – критерий Рейнольдса – вырождается и выпадает из числа аргументов для описания интенсивности теплообмена.

При турбулентном режиме течения даже при стабилизировавшемся профиле скорости вследствие турбулентных пульсаций в потоке существенными являются и инерционные силы и силы вязкостного трения, так что мера их отношения – критерий Re– должна быть включена в качестве аргумента для числаNu. Турбулентные же пульсации температуры на участке стабилизировавшейся теплоотдачи приводят к тому, что существенным для интенсивности теплопереноса в потоке остается и критерийPe.

2.6.1. Теплообмен при ламинарном вязкостном режиме течения

В этом случае на ламинарное течение (0<Re<2320) не накладывается влияние свободной конвекции, формирующейся из-за значительной разности температур в потоке и на омываемой им теплообменной поверхности. При этом для круглой трубы длина участка тепловой стабилизации оказывается равной

(2.39)

где Pe=w₀d/a_f– критерий Пекле.

У самого входа в теплообменный участок (L/d  0.0005Pe) интенсивность теплообмена при постоянной температуре поверхности круглой трубы определяется по формуле Левека

(2.40)

где и– средние значения числа Нуссельта и коэффициента теплоотдачи на участке трубы длинойL.

Если , то используется формула (2.40) с заменой в ней коэффициента 1,615 на 1,55, так что с учетом температурного фактора получаем

. (2.40)

Интенсивность стабилизированного теплообмена (когда ) при ламинарном течении определяется в круглой трубе следующим образом:

а) если поверхность трубы является изотермической, то расчетная формула такова

3,66, (2.41)

б) если плотность теплового потока в стенку трубы везде одинакова, то имеем

4,36. (2.42)

Отсутствие критерия Peв качестве аргумента для числа Nu в правой части последних двух формул объясняется тем, что в области стабилизировавшегося теплообмена количество тепла, переносимого конвекцией в направлении течения, пренебрежимо мало по сравнению с количеством тепла, переносимого механизмом теплопроводности по направлению к обтекаемой поверхности. Вследствие этого мера их отношения (критерийPe) вырождается, т.е. также, наряду с критерием Рейнольдса, перестает быть аргументом для числа Nu. Следует иметь в виду, что приведенные рассуждения не относятся к жидким металлам и сильно ионизированным газам (плазме).

Формулы, полученные для описания теплообмена при ламинарном течении в круглой трубе, при определении теплоотдачи в трубах некруглого сечения с использованием их эквивалентного диаметра d_элишены строгого обоснования, и их применение требует осмотрительности. В самом деле, расчеты показывают, что интенсивность теплообмена в сравниваемых трубах относительно мало отличается лишь у самого входа в теплообменный участок, а по мере удаления от него это различие существенно возрастает, становясь наибольшим для стабилизированных значенийNu. Так, например, при ламинарном течении в щелевом канале эквивалентный диаметр его поперечного сечения естественно равен удвоенной ширине и установленные точные значения числа Нуссельта для изотермической поверхности и постоянной плотности теплового потока в нее соответственно равны 7,54 и 8,24, в то время как числа Нуссельта для эквивалентной круглой трубы оказались бы равными 3,66 и 4,36.

Поэтому при расчете теплоотдачи в каналах с некруглой формой поперечного сечения следует обращаться к соответствующей справочной литературе.

2.6.2.Теплообмен при ламинарном гравитационно-вязкостном

течении

Критериальные формулы для описания теплообмена в этом режиме течения (0 < Re< 2320) призваны учесть наложение на ламинарное течение жидкости (газа) термической свободной конвекции, которая возникает при значительных разностях температур потока и омываемой поверхности. При этом если труба расположена горизонтально, то на продольное движение жидкости накладывается ее поперечное течение. В том же случае, когда труба расположена вертикально, на продольное движение накладывается восходящее (температуры трубы выше температуры потока) или нисходящее течение. Учет влияния свободной конвекции на вынужденное ламинарное движение и теплообмен в канале производят в том случае, когда величина критерия Рэлея, вычисленная с использованием в качестве характерного размера внутреннего диаметра трубы, соответствует неравенству.

Предложено большое количество экспериментальных зависимостей для описания теплообмена при ламинарном гравитационно-вязкостном течении. Наш опыт их использования позволяет предложить следующую критериальную зависимость для горизонтально расположенной круглой трубы с постоянной температурой омываемой поверхности :

. (2.43)

Здесь и– искомые средние значения числа Нуссельта и коэффициента теплоотдачи на участке трубы длиноюL;и– средние значения числа Нуссельта и коэффициента теплоотдачи на участке трубы длиноюL,рассчитанные по формулам для ламинарного вязкостного режима течения;– критерий Рэлея. Если труба расположена вертикально, то полученные по формуле (2.43) значенияNuиуменьшаются на 15 % при совпадении направлений вынужденного и свободного движения, и увеличиваются на 15 % – в противном случае.