37 Тепловіддача при вимушеній течії в каналах.
Інтенсивність
теплообміну в прямих гладких трубах
залежить від режиму течії потоку,
обумовленого величиною
.
Якщо
,
то течія ламінарна. Для труб
.
Розвитий турбулентний режим течії
встановлюється при значеннях
;
значення
відповідає перехідному режиму.
При ламінарній течії спостерігається значна зміна температури по перетину й відповідна зміна густини поточної рідини. Внаслідок цього, на вимушену течію накладається вільна конвекція. Для орієнтовних розрахунків середнього коефіцієнта тепловіддачі можна рекомендувати наступне критеріальне рівняння:
,
де
− Критерій Релея, що характеризує
інтенсивність вільної конвекції;
− коефіцієнт, що враховує відносну
довжину труби
(при
).
Вплив напрямку теплового потоку враховує
множник
.
Індекс “с” означає, що фізичні властивості
краплинної рідини беруться за значенням
середньої температури стінки. Для газу
це виправлення позбавлене змісту й не
повинне враховуватися.
В цьому рівнянні геометричний розмір – діаметр труби (або еквівалентний діаметр каналу), що визначає температура потоку.
При турбулентній течії рідина
в потоці досить інтенсивно перемішується
й природна конвекція проявляється
слабко. Для визначення середнього
коефіцієнта тепловіддачі при розвиненій
турбулентній течії
використовується наступне критеріальне
рівняння:
.
Це рівняння справедливе при
.
Як визначальний розмір, прийнятий
діаметр круглої труби або еквівалентний
діаметр, як визначальна температура –
середня температура потоку.
38 Тепловіддача при поперечному обтіканні труб.
Теплообмін має ряд особливостей, які пояснюються своєрідністю течії поблизу поверхні труби. Граничний шар, що утворюється, має найменшу товщину в лобовій точці й далі поступово наростає доти, поки не відбудеться відрив потоку й утворення вихрової зони, що охоплює кормову частину труби. Це приводить до істотної інтенсифікації тепловіддачі. Для розрахунку середнього по поверхні труби коефіцієнту тепловіддачі рекомендується наступне критеріальне рівняння
,
де
,
при
і
,
при
.
Як визначальний розмір прийнятий
зовнішній діаметр труби
,
визначальна температура – температура
зовнішнього потоку, визначальна швидкість
– швидкість потоку, що набігає. Рівняння
справедливе для поперечного обтікання:
кут
між напрямком потоку й віссю труби
становить
.
В теплообмінних системах з
метою збільшення площі теплообміну
труби збирають у пучок з коридорним або
шаховим розташуванням. Для розрахунку
використовують рівняння, в якому
враховується тип пучка, вплив відносних
кроків
,
кількість рядів труб у пучку, кут атаки
потоку, що набігає, і ін.
39 Тепловіддача при вільній конвекції.
Значну роль в
техніці відіграють процеси теплообміну
при вільній (термогравітаційній)
конвекції, що виникає внаслідок різниці
густини нагрітих і холодних макрооб'ємів
рідини (газу). Границі ламінарного й
турбулентного режимів течії залежать
в основному від температурного напору
.
Форма тіла в розвитку течії відіграє
другорядну роль. Основне значення має
довжина поверхні, вздовж якої рухається
вільний потік рідини (газу). Середню
тепловіддачу при вільній конвекції у
великому об'ємі можна розрахувати за
наступним рівнянням:
,
де
–
критерій Релея,
− критерій Грасгофа;
− коефіцієнт теплового розширення (для
газу
).
Для горизонтальних труб
(визначальний розмір − діаметр труби:
)
,
при
,
,
при
.
Для вертикальних труб і плит
(визначальний розмір − висота:
)
,
при
,
,
при
.
Як визначальна температура
прийнята середня температура в граничному
шарі:
.
У вузьких каналах і щілинах
внаслідок обмеженості простору й
наявності висхідних і спадних потоків
умови вільного руху значно змінюються.
У цьому випадку застосовують метод
еквівалентної теплопровідності: середня
густина теплового потоку
розраховується за формулою теплопровідності,
в якій коефіцієнт теплопровідності
замінений величиною
.
Коефіцієнт
враховує перенос тепла конвекцією. Якщо
критерій
,
то коефіцієнт
.
В області
коефіцієнт
.
Як визначальний розмір прийнята товщина
прошарку, за визначальну температуру
– середня температура рідини (газу)
.