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 .Для труб некруглого сечения, называемых частоканалами, 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 [1]

, (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 .В табл. 2.1.2 приведены значения коэффициента[1].

Таблица 2.1.2

	Отношение
	1	2	5	10	15	20	30	50
1·	1,65	1,50	1,34	1,23	1,17	1,13	1,07	1,00
2·	1,51	1,40	1,27	1,18	1,13	1,10	1,05	1,00
5·	1,34	1,27	1,18	1,13	1,10	1,08	1,04	1,00
1·	1,28	1,22	1,15	1,10	1,08	1,06	1,03	1,00
1·	1,14	1,11	1,08	1,05	1,04	1,03	1,02	1,00

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 критерием. 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. Значения коэффициентаприведены в табл. 2.1.3.

Таблица 2.1.3.

	1	2	5	10	15	20	30	50
	1,90	1,70	1,44	1,28	1,17	1,13	1,05	1,00

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 [1]

, (2.1.35)

где к - безразмерный параметр, зависящий от критерия Рейнольдса.

Таблица 2.1.4

	2,1	2,2	2,3	2,4	2,5	3	4	5	8	10
	1,9	2,2	3,3	3,8	4,4	6,0	10,3	15,5	27,0	33,3

Для воздуха выражение (2.1.35) принимает вид

. (2.1.36)

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