3.5.5 Теплоотдача в изогнутых трубах

В теплообменных аппаратах теплоносители часто протекают в изогнутых каналах, например в змеевиках. При движении в таком канале возникает центробежный эффект, вызывающий вторичную циркуляцию, то есть возникает сложное движение по винтовой линии.

R

Влияние центробежного эффекта распространяется и на следующий за поворотом прямой участок трубы. В змеевиках действие вторичной циркуляции распространяется на всю длину трубы.

Вторичная циркуляция может наблюдаться как при турбулентном, так и при ламинарном течении.

Вторичная циркуляция возникает при и равном:

, R – радиус закругления змеевика.

При - наступает развитое турбулентное течение.

.

3

2

1

На графике можно выделить 3 области:

1 область: - наблюдается ламинарное течение без вторичной циркуляции. Для расчетарекомендуется использовать формулы ламинарного течения.

2 область: - ламинарное течение со вторичной циркуляцией – для расчетарекомендуется использовать критериальное уравнение для гладких труб с турбулентным характером движения.

3 область: - турбулентное течение при наличии вторичной циркуляции. Теплоотдача рассчитывается по той же формуле, но полученное значениенужно умножить на, для змеевиковых труб определяется:

.

3.5.6. Теплоотдача в шероховатых трубах

Возможны два случая:

1. (бугорки шероховатости глубоко погружены в подслой)

Течение не нарушается, разницы между гладкими и шероховатыми трубами нет.

2. (бугорки шероховатости выходят за пределы подслоя)

Течение в вязком подслое нарушается, происходит отрывное, вихревое обтекание бугорков, турбулентные пульсации увеличиваются. Происходит увеличение теплоотдачи.

Для расчетов рекомендуется формула (турбулентный режим):

,

где - коэффициент шероховатости.

3.6 Теплоотдача при вынужденном поперечном омывании труб и пучков труб.

3.61.Теплоотдача при поперечном омывании одиночной круглой трубы.

1. безотрывное обтекание. < 5

-скорость набегающего потока;

- коэффициент кинематической вязкости;

2) При – пограничный слой, образующийся на лобовой части трубы в кормовой части отрывается от поверхности, и позади цилиндра образуются два симметричных вихря. Наблюдается отрыв ламинарного пограничного слоя при

3)При – вихри отрываются от трубы и уносятся потоком жидкости, образуя за цилиндром вихревую дорожку.

4)При – частота отрыва вихрей остается постоянной.

5) При – ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный и место отрыва резко смещается по потоку – угол отрыва при этом.

Омывание трубы улучшается.

Отрыв пограничного слоя и образование вихрей является основной особенностью поперечного омывания трубы. Своеобразный характер омывания трубы отражается и на ее теплоотдаче, которая по окружности неодинакова.

1 – теплоотдача при отрыве ламинарного пограничного слоя;

2 – теплоотдача при отрыве турбулентного пограничного слоя;

На лобовой образующей цилиндра (₌₀), где диаметр пограничного слоя самый малый, значения коэффициента теплоотдачи – высокие. В направлении движения жидкости, по мере увеличения диаметра пограничного слоя, коэффициент теплоотдачипадает, что объясняется ростом толщины ламинарного пограничного слоя.

На графике минимум теплоотдачи наблюдается там, где толщина пограничного слоя максимальна (тепло через ламинарный пограничный слой передается теплопроводностью).

При ламинарном течении наблюдается 1 минимум , который соответствует месту отрыва пограничного слоя. В кормовой части трубы пограничного слоя нет, жидкость имеет сложный вихревой характер движения, и коэффициент теплоотдачиувеличивается. При малых числах Рейнольдса, теплоотдача задней половины трубы меньше, чем передней; с возрастанием чисел Рейнольдса она может сравняться с теплоотдачей в лобовой части трубы.

При турбулентном течении наблюдается 2 минимума:

1-й минимум соответствует переходу ламинарного течения жидкости в пограничном слое в турбулентное, коэффициент теплоотдачи при этом резко возрастает (примерно в 2-3 раза).2-й минимум соответствует месту отрыва турбулентного пограничного слоя. За местом отрыва труба омывается вихрями, имеющими сложный характер движения. Здесь теплоотдача несколько возрастает.

Таким образом, теплоотдача по окружности одиночной трубы при поперечном обтекании определяется характером омывания поверхности и зависит от скорости и направления потока жидкости, от температуры и диаметра трубы, от направления теплового потока, от внешних тел, изменяющих степень турбулизации, угла атаки и т.д. Такая сложная зависимость процесса от посторонних факторов затрудняет его исследование, поэтому в практических расчетах пользуются средними значениями коэффициента теплоотдачи.

Подробные экспериментальные исследования теплоотдачи трубы в поперечном потоке воздуха, воды, трансформаторного масла были приведены А. А. Жукаускасом. В результате обработки и обобщения этих данных и данных работ других авторов были получены уравнения подобия для определения среднего коэффициента теплоотдачи по окружности одиночной трубы:

При :

.

Для воздуха:

.

При

.

Для воздуха:

.

При

.

За определяющий линейный принят внешний диаметр трубы d, за определяющую температуру – средняя температура жидкости . Скорость отнесена к самому узкому сечению канала.

Эти формулы справедливы для цилиндра, расположенного перпендикулярно направлению потока. Если угол атаки _,то полученный нужно умножить на поправочный коэффициент:

.