2.1.3.2. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах

Эта ситуация соответствует ограниченному пространству. Температура поверхности трубы принимается постоянной, а температура жидкости по мере продвижения по трубе увеличивается, в пределе стремясь к температуре поверхности трубы. За счет того, что перегрев между поверхностью трубы и жидкостью по мере продвижения жидкости по трубе уменьшается, будет уменьшаться и интенсивность теплообмена.

При вынужденном движении жидкости в трубах устойчиво существуют три режима движения: ламинарный, турбулентный и переходный. Режим движения жидкости определяется по критерию Рейнольдса

. (2.1.30)

Для труб круглого сечения за определяющий размер принимается диаметр трубы d. Для труб некруглого сечения, называемых часто каналами, за определяющий размер принимается эквивалентный диаметр, вычисляемый по формуле, гдеS- площадь поперечного сечения канала;П- периметр канала в поперечном сечении.

В трубах скорость потока в сечении не одинакова - по оси она будет максимальной, а у стенки - минимальной. При расчетах принимается средне расходная скорость , где- объемный расход жидкости, м³/с,S- площадь поперечного сечения трубы, м.

Рассчитав критерий Рейнольдса, определяют режим движения жидкости. При значениях < 2200 движение жидкости в трубе имеет ламинарный характер, при> 10⁴движение будет турбулентным, при значениив диапазоне 2200…10⁴ режим движения будет переходным.

При турбулентном режимекритерийрассчитывается по формуле [8]

, (2.1.31)

при этом t_f =0,5(t_вх + t_вых).

Коэффициенты ,,- поправочные коэффициенты, учитывающие особенности теплообмена в трубах.

Коэффициент учитывает изменение теплоотдачи по длине трубы, что объясняется неодинаковым температурным напором между стенкой трубы и протекающей жидкостью в начале и в конце трубы. Коэффициент, является функцией критерияReи отношения , то есть .Эта зависимость представлена на рис. 2.1.5,а. Как видно,, и соответственно коэффициент теплоотдачи коротких труб при всех прочих равных условиях будет больше, чем коэффициент теплоотдачи длинных труб. При отношенииl/d> 50 принимают_L= 1.

Рис. 2.1.5.Графики зависимости коэффициентов _L = f(Re, l/d) и ^’_L = f(l/d)

Коэффициент учитывает неизотермичность потока в поперечном сечении трубы. Для воды = 1, а для газов вычисляют по формуле, где и - средние абсолютные температуры жидкости и стенки трубы.

Коэффициент вносит поправку на увеличение коэффициента теплоотдачи изогнутых труб за счет увеличения турбулентности потока вследствие центробежного эффекта. Коэффициент рассчитывается по формуле = 1+1,77 (d/R), гдеR- радиус закругления трубы по осевой линии.

Для воздуха выражение (2.1.31) примет вид

. (2.1.32)

При ламинарном течениижидкости интенсивность теплообмена определяется как вынужденным, так и свободным движением, которое вызывается подъемом частиц жидкости за счет уменьшения ее плотности при нагревании. Свободное движение учитывается критериемGr. В этом случае выражение для критерия Нуссельта имеет вид

. (2.1.33)

Коэффициент определяется, как и в предыдущем случае. Коэффициент здесь является функцией только отношенияl/d. Эта функция представлена на рис. 2.1.5,б.

Для воздуха выражение (2.1.33) с учетом того, что Pr_f = Pr_w = 0,71, примет вид

. (2.1.34)

В переходном режимеинтенсивность теплообмена может резко меняться от многих обстоятельств, весьма значительно она зависит от критерияRe. Для практических расчетов может быть предложена формула [9]

, (2.1.35)

где к- безразмерный параметр, зависящий от критерия Рейнольдса.

Эта зависимость представлена на рис. 2.1.6. Для воздуха выражение (2.1.35) принимает вид

. (2.1.36)

Определив критерий Нуссельта для соответствующего режима движения, находится конвективный коэффициент теплоотдачи .

Рис. 2.1.6.Зависимость к = f( Re )