2.7 Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя.

Мы с вами отметили, что процесс теплоотдачи зависит от природы возникновения течения жидкости. При этом различают вынужденное (вызываемое вентиляторами, насосами и другими возбудителями). Начнем с вынужденного движения наиболее часто встречающейся в технике случае. Это движение жидкости в каналах различной формы и омывания потоком жидкости пучка труб.

2.7.1 Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в каналах.

При вынужденном движении жидкости теплоотдача в основном определяется режимом движения. По характеру движения жидкости различают два основных режима жидкости: ламинарный (слоистый) и турбулентный (вихревой). Ламинарный режим наблюдается при малых скоростях, турбулентный при больших, т. е. можно сделать вывод что режим движения зависит от скорости . Переход режима движения из ламинарного в турбулентный переходит как только скорость движения достигает критической, причем значение этой критической скорости различно, для различной жидкости.

Рейнольдс установил, что переход жидкости от ламинарного течения к турбулентному обусловлен значение безразмерного комплекса

Опытом он установил, что для любой жидкости при Re <2000 наблюдается ламинарный режим. При переходный режим. ПриRe>10⁴ развитое турбулентное движение.

Исходя из значения числа Re можно определить значение для критической скорости любой жидкости

Между ламинарным и турбулентном движении жидкости в трубах помимо качественного имеется еще и количественное различия, показывающие существенное влияние на теплоотдачу. Оно заключается в различных законах изменения скоростей по сечению трубы: параболическое при ламинарном и более крутое у стенок и равномерное в ядре потока при турбулентном. Соответствен имеют разные значения отношения средней скорости по сечению к его максимальному значению:

ламинарный:

турбулентный:

Наличие этого участка обусловлено действием сил вязкостного трения.

Такие законы распределения скоростей характерны только для гидродинамически стабильного течения. Стабилизация наступает не сразу, а на некотором расстоянии l_н от входа в трубу. Если в трубу с закругленными кромками жидкость поступает из большого пространства, то на входе скорость постоянна. Далее, в следствии трения у стенки скорость убывает, а в центре потока растет. Так постепенно изменяясь на участке стабилизации эпюра скоростей принимает стабильный вид:

l_н ≈40d- при турбулентном режиме.

l_н ≈0,03∙Re- при ламинарном режиме.

Так как на участке гидромеханической стабилизации характер движения жидкости меняется, то меняется теплоотдача. Поэтому при проведении исследований следует указывать имеет ли место гидромеханическая стабилизация или нет. В противном случае возможны ошибки.

При турбулентном режиме движения жидкости у стенки всегда имеется небольшой слой, в котором жидкость движется ламинарно. Это ламинарный пограничный слой. На участке гидромеханической стабилизации толщина этого пограничного слоя изменяется от δ=0на входе в трубу, до своего предельного значения. По своему абсолютному значению величина δ не велика и зависит от числа Re:

При нагреве или охлаждении жидкости в канале, по опытным данным, одновременно с гидродинамической стабилизацией проходит тепловая стабилизация. Она имеет место как при турбулентном, так и при ламинарном режиме.

На участке тепловой стабилизации проходит развитие теплового пограничного слоя.

На входе в трубу ядро потока в теплообмене не участвует и все тепловые изменения проходят только в пограничном тепловом слое.

При этом чем меньше толщина этого теплового пограничного слоя, тем интенсивнее протекает теплопередача. Это объясняет тот факт, что на входе в трубу α имеет максимальное значение.

По мере удаления от входа толщина пограничного теплового слоя увеличивается и на некотором расстоянии от входа (l_нт) он занимает всё поперечное сечение канала (т.е. в теплоотдаче уже участвует вся жидкость). Это означает наступление тепловой стабилизации. Коэффициент теплоотдачи на этом участке резко уменьшается стремясь к определенному неизменному значению. После наступления тепловой стабилизации он является постоянным по всей трубе.

Наличие участка тепловой стабилизации жидкости обуславливается низким значением коэффициента теплопроводности жидкости (в начале трубы течение ламинарное, а в нём теплота передается от слоя к слою теплопроводностью) и как следствие этого медленным выравниваем температурного поля.

Аналогично ведет себя и средний по длине канала коэффициент теплопроводности однако стабилизация по нему распространяется на большую длину.

Очевидно, что длинна участка тепловой стабилизации (l_нт) зависит от коэффициента теплопроводности жидкости, диаметра трубы и её положения ((горизонтальная или вертикальная), режима движения и гидродинамической стабилизации).

l_нт=f(λ;d;Re;l_н;Ф) Ф- форма и положение трубы.

Например для горизонтальных труб для определения длины участка тепловой стабилизации справедлива формула l_н.т.=(0,05…0,07)Red_вн, которая для турбулентного режима упрощается и принимает вид l_н.т.=(10…15)d_вн. Влияние же стабилизации на распространяется на участок до 50d_вн.

Характер распределения температурного поля по сечению канала зависит от поля скоростей жидкости и примерного подобия ему. Т.е. при ламинарном течении температура меняется по закону параболы плавно, а при турбулентном режиме температура изменяется в пристенном слое и остается const в ядре потока.

Два основных режима течения жидкости: ламинарный и турбулентный характеризуются и различными механизмами (способами) передачи теплоты при них.

При ламинарном движении (слоистом) теплообмен происходит в основном за счет теплопроводности и лишь частично за счёт свободного движения жидкости поперек канала, в следствии разности температуры жидкости и степени (свободная конвекция). Учитывая малый коэффициент теплопроводности λ можно сделать вывод о малой интенсивности теплопередачи (малом α) при ламинарном режиме движения. (теплота передается теплопроводностью через весь слой жидкости от ядра к стенке)

При турбулентном режиме (вихревом) теплообмен происходит в основном за счёт внутренней конвекции (вихрей в жидкости). Влияние свободного движения полностью исчезает. Однако, через имеющийся при турбулентном режиме ламинарный пограничный слой теплота передается только теплопроводностью.

Наличие ламинарного пограничного слоя при турбулентном режиме течения задерживает теплообмен и является основным термическим сопротивление процесса.

Коэффициент теплоотдачи “α”, характеризующий интенсивность теплопередачи при движении жидкости в трубах, определяется по различным уравнениям подобия; в зависимости от того, какой режим течения имеет место: ламинарный, переходный или турбулентный. Рассмотрим их.