2522

ратурного фактора и геометрических симплексов Г1,Г2 и т. д. незначительно и оно может быть

учтено соответствующим выбором величин, входящих в критерии Re,Gr,Рr. Тогда, в частности, для газа при вынужденном движении

Конкретный вид критериальных уравнений устанавливается, как, правило, опытным путем. С этой целью из всего многообразия явлений конвективного теплообмена выбираются такие явления, которые характеризуются одинаковыми критериями и симплексами. Опыты проводятся лишь с некоторыми из этих явлений. По полученным данным выводится критериальное уравнение.

2.2.4. Теплоотдача в неограниченном пространстве

Процесс теплообмена при естественной свободной конвекции жидкости имеет распространение в природе и технике. Свободным считается движение жидкости за счѐт разностей плотностей нагретых и холодных частиц. Так, при соприкосновении с нагретым телом воздух нагревается, плотность его снижается, и он поднимается вверх. Если же тело холоднее воздуха, тогда от соприкосновения с ним воздух охлаждается, плотность его возрастает, и он опускается вниз (рис.46).

81

2

1

Q Q

Рис. 46

Экспериментальным путем проведены многочисленные исследования теплообмена в условиях свободного движения с разными по форме телами и различными жидкостями. В результате обобщения опытных данных получены критериальные зависимости для коэффициентов теплоотдачи в форме

Приведенное критериальные уравнение справедливо для тел любой геометрической формы. В качестве определяющей температуры принимается температура окружающей среды lж определяющего размера для горизонтальных труб диаметр d и для вертикаль-

82

ных поверхностей - высота h.

2.2.5. Теплопередача при вынужденном движении жидкости в цилиндрических каналах (трубах)

Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в трубах широко встречается в различных теплообменных устройствах.

Различают два режима вынужденного режима жидкости - это ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме частицы жидкости перемещаются параллельно стенкам трубы. При турбулентном движении частицы жидкости перемещаются неупорядоченно, хаотично, при этом появляются вихреподобные образования.

Ламинарный режим движения имеет место при значениях Re<2000, а турбулентный, когда число Re>10000. Число Рейнольдса Re = 2000, при котором происходит переход ламинарного движения в турбулентный, называется критическим.

83

Из уравнения (2.53) видно, что при ламинарном движении теплоотдача в наибольшей степени зависит от физических свойств

жидкости ( Prж0.43 ), несколько меньше от интенсивности вынужден-

ного движения жидкости ( Re0ж.33 ), ещѐ меньше от направления теп-

0.25

Для коротких труб, у которых теплоотдача выше. В этом случае значение теплоотдачи, определенное согласно (2.53) и (2.54) умно-

жается на поправочный коэффициент l ный в справочной литературе.

Для процесса теплоотдачи при турбулентном режиме движения жидкости единой закономерности, справедливой во всем интервале чисел Рейнольдса, не предложено. Для наиболее часто

Из (2.55) видно, что при турбулентном режиме теплоотдача в наибольшей мере зависит от интенсивности вынужденного дви-

85

жения жидкости, несколько меньше от физических свойств жидкости и в наименьшей мере от направления теплового потока.

Для газов уравнение (2.55) упрощается

2.2.6.Теплоотдача при вынужденном движении жидкости

впрямых каналах

Каналом принято считать всякую полость, отличающуюся от трубы. Исследованиями установлено, что при вынужденном движении жидкости в прямых каналах, как и в трубах, имеют место два режима движения жидкости - ламинарный и турбулентный.

Для расчета теплоотдачи применяются уравнения, предложенные для цилиндрических каналов, с той разницей, что в формуле, описывающей критерий Рейнольдса в качестве определяющего размера проставляется эквивалентный диаметр канала dэкв.

Эквивалентный диаметр рассчитывается по формуле

поперечного сечения канала;

P – периметр сечения канала где F- площадь

86

2.2.7. Теплоотдача при продольном обтекание пучка цилиндров

Рис 49 В производственных условиях часто встречаются теплооб-

менные аппараты, в которых имеет место продольное обтекание пучка цилиндров (рис.49). В том случае тепловой поток может быть направлен от цилиндров к протекающей жидкости или, наоборот, от жидкости к цилиндрам.

Для теплообмена при продольном омывании пучка цилиндров для турбулентного режима движения жидкости получено критериальное уравнение вида

2.2.8.Теплоотдача при поперечном обтекании цилиндров

Впромышленности наибольшее распространение получили теплообменники, в которых отдельные цилиндры или пучки цилиндров обтекаются потоком жидкости в поперечном направлении.

I Одиночные цилиндры

87

Процесс теплоотдачи при поперечном обтекании цилиндров имеет ряд особенностей, которое объясняется гидродинамической картиной движения жидкости вблизи поверхности цилиндра.

900

φ

900

Рис. 50

На поверхности цилиндра образуется пограничный слой, который имеет наименьшую толщину в лобовой части при φ = 0 и далее постепенно нарастает в толщине, достигая максимального значения коэффициента при φ = 90° (рис.50). Интенсивность теплоотдачи по окружности цилиндра неодинакова. Представление об еѐ относительном изменении даѐт кривая на рис.51.

1.4

1.0

0.6

0.2

0 45 90 135

180Рис. 51

Максимальное значение коэффициента теплоотдачи наблюдается в лобовой части цилиндра φ=0, где толщина пограничного

88

слоя наименьшая. С увеличением интенсивность теплообмена уменьшается, достигая минимума при φ = 90°. Это изменение связано с нарастанием толщины пограничного слоя, который как бы изолирует поверхность трубы от основного потока. В кормовой части цилиндра коэффициент теплоотдачи снова возрастает за счѐт улучшения отвода тепла вследствие вихревого движения и перемешивания жидкости. Опытным путем получены следующие критериальные уравнения

Изменение коэффициента теплоотдачи по окружности ци-

линдра

2. Пучки цилиндров Процесс теплоотдачи еще более усложняется, если в попе-

речном потоке жидкости имеется пучок цилиндров. В технике распространены два основных трубных пучков - коридорный и шахматный (рис.52,53)

Рис 52 Коридорный пучок цилиндров От схемы компоновки пучка зависят характер движения

89

жидкости и обтекание цилиндров. Условия обтекания первого ряда цилиндров в обоих пучках близки к условиям обтекания одиночного цилиндра. Для последующих рядов характер обтекания изменяется. В коридорных пучках все цилиндры второго и последующих рядов находятся в вихревой зоне впереди стоящих; между цилиндрами по глубине пучка получается застойная зона со слабой циркуляцией жидкости. В шахматных пучках глубоко расположенные цилиндры по характеру обтекания мало чем отличаются от цилиндров первого ряда.

Рис. 53Шахматный пучок цилиндров Отсюда процесс теплоотдачи для обеих разновидностей

компоновок пучков цилиндров для первого ряда идентичен. Теплоотдача второго и третьего рядов по сравнению с первым постепенно

возрастает. Если теплоотдачу третьего принять за 100 % , то в шахматных и

коридорных пучках теплоотдача первого ряда составляет всего лишь около 60 %, а второго в коридорных пучках около 90 % и шахматных 70 %. Причиной возрастания теплоотдачи является увеличение турбулентности потока. Начиная с третьего ряда, турбулентность потока принимает стабильный характер. По абсолютному значению теплоотдача в шахматных пучках выше, чем в коридорных, что обусловливается лучшим перемешиванием жидкости.

Опытным путем получены следующие критериальные урав-

нения:

а) при коридорной компоновке цилиндров

90