Тема 6 Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности

При расчете теплоотдачи учитывается зависимость физических величин от температуры. Коэффициент теплоотдачи капельных жидкостей очень зависит от рода жидкости, ее температуры, направления теплового потока, температурного напора. Влияние указанных факторов на теплоотдачу является следствием переменности температуры в тепловом пограничном слое.

Расчеты полей скоростей и температуры с учетом переменной вязкости показывают ее значительное влияние. При одном и том же температурном напоре распределение скорости различно в зависимости от направления теплового потока.

Расчеты для газовых сред с учетом переменности всех физических параметров показывают, что поля скоростей и температур изменяются слабо.

Опытным путем установлено, что зависимость теплоотдачи капельных жидкостей от направления теплового потока можно приближенно учитывать поправкой Михеева

которая, прежде всего, учитывает влияние на теплообмен вязкости жидкости.

При нагревании капельной жидкости >1, при охлаждении <1. Это отношение тем больше отличается от 1, чем больше температурный напор.

Для газовых сред ~ 1.

В общем случае характер движения вдоль плоской поверхности имеет вид (см. рис.).

При ламинарном режиме течения в пограничном слое местный коэффициент теплоотдачи

.

Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при ламинарном движении

.

При турбулентном режиме течения для расчета среднего значения коэффициента теплоотдачи рекомендуется

Формулы, определяющие теплоотдачу пластины, могут быть использованы для расчета теплоотдачи при внешнем продольном омывании цилиндра, если его диаметр существенно больше толщины пограничного слоя.

Вопросы к теме 6.

1. Какие факторы влияют на коэффициент теплоотдачи?

2. Записать поправку Михеева, дать ее физический смысл.

3. Как влияет направление теплового потока на формирование температурного поля?

Тема 7 Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в трубах

7.1 Особенности движения и теплообмена в трубах

Процесс теплоотдачи при движении жидкости в трубах является более сложным, по сравнению с процессом теплоотдачи при омывании поверхности неограниченным потоком.

Жидкость, текущая вдали от пластины не испытывает влияния процессов, происходящих у стенки. Однако поперечное сечение трубы имеет конечные размеры. В результате, начиная с некоторого расстояния от входа, жидкость по всему поперечному сечению испытывает тормозящее действие сил вязкости. Происходит изменение температуры жидкости, как по сечению, так и по длине канала. Всё это сказывается на теплоотдаче.

Если жидкость поступает в трубу из большого объема и стенки трубы на входе закруглены, распределение скорости в начальном сечении считают равномерным. При движении у стенок образуется гидродинамический пограничный слой, толщина которого постепенно нарастает. На некотором расстоянии от входа пограничный слой заполняет все пространство трубы.

Расстояние, отсчитываемое от входа до сечения, соответствующего слиянию пограничного слоя, называется длиной гидродинамического начального участка или участком гидродинамической стабилизации l_н. Гидродинамический начальный участок наблюдается как при ламинарном, так и при турбулентном течении. Длина и его доли, занятые соответственно ламинарным и турбулентным пограничными слоями, зависят от числа Re.

По мере движения жидкости вдоль трубы наблюдается прогрев или охлаждение пристенных слоев. У поверхности трубы образуется тепловой пограничный слой. На некотором расстоянии от входа, равном l_нт , тепловой пограничный слой заполняет все сечение трубы и в дальнейшем вся жидкость участвует в теплообмене. Участок трубы длиной l_нт называют начальным тепловым участком или участком термической стабилизации.

В связи с переменностью физических параметров при ламинарном течении имеют место два режима неизотермического движения: вязкостный и вязкостно-гравитационный.

Вязкостный режим имеет место при преобладании сил вязкости над подъемными силами, т.е. он соответствует течению вязких жидкостей при отсутствии влияния естественной конвекции.

В вязкостно-гравитационном течении силы вязкости и подъемные силы соизмеримы.

В язкостный режим тем более вероятен, чем меньше диаметр трубы, чем больше вязкость и чем меньше температурный напор. При вязкостном режиме распределение скорости по сечению трубы отклоняется от параболического, так как вследствие изменения температуры по сечению изменяется и вязкость. При одной и той же средней по сечению температуре в случае нагревания жидкости ее температура у стенки будет больше, чем при охлаждении. Чем больше температура капельной жидкости, тем меньше ее вязкость. В результате при нагревании жидкости скорость вблизи стенки больше, чем при охлаждении, и теплоотдача увеличивается.

7.2 Теплоотдача при течении жидкости в гладких трубах

круглого сечения

Теплоотдача при ламинарном режиме. Лайоном было получено интегральное уравнение теплоотдачи для стабилизированного теплообмена при постоянной плотности теплового потока на стенке .

Если известно распределение скоростей, то при гидродинамически и термически стабилизированном течении жидкости можно рассчитать коэффициенты теплоотдачи

где - безразмерная скорость относительно оси x,

R – безразмерный радиус.

При гидродинамически стабилизированном ламинарном течении с неизменными физическими свойствами

Подставляя значение скорости в уравнение Лайона, и интегрируя это уравнение, получаем:

Таким образом, при стабилизированной теплоотдаче критерий Nu постоянен и равен 4,36. С учетом постоянства температуры стенки, т.е. при уравнение Лайона дает: .

При аналитических расчетах учет пременности физических параметров в совокупности с учетом других влияющих факторов требует сложной и трудоёмкой работы. Поэтому в практических расчетах используют сравнительно простые эмпирические формулы. Для расчета местных коэффициентов теплоотдачи при ламинарном режиме получена формула:

- относительный размер.