Теплоотдача в изогнутых трубах (спиральных теплообменниках)

Д ля U-образных спиральных теплообменников необходимо учитывать эффект вторичной циркуляции под действием центробежных сил.

Коэффициент теплоотдачи за поворотом больше чем коэффициент теплоотдачи до поворота. Расчёт спиральных теплообменов производится по Михееву с введением поправки.

,

где d – внешний диаметр змеевика;

R – радиус витка змеевика.

Теплоотдача в шероховатых трубах зависит от высоты бугроватостей  и толщины вязкого подслоя _ПДС. Бугорки шероховатостей глубоко погружены в вязком ламинарном подслое.

а) . В этом случае используются формулы такие же, как и для гладкой трубы.

б) . Это приводит к пульсации скорости на границе жидкости; режим приобретает турбулентный характер;  возрастает.

,

, .

15 Теплоотдача при поперечном обтекании труб

15.1 Гидродинамика и теплообмен при поперечном

Омывании одиночной круглой трубы

При поперечном омывании трубы при значении числа Рейнольдса имеет место плавное безотрывное омывание внешней поверхности. С увеличением числа Рейнольдса режим становится ламинарным, а при , со стороны кормовой части трубы возникают вихревые потоки и отрыв пограничного слоя. Отрыв происходит при угле атаки .

При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса угол отрыва вырастает с 80 до 440. В лобовой точке набегания потока поток разделяется на две части, на поверхности трубы образуется пограничный слой, который имеет начальную толщину в лобовой точке, и далее постепенно нарастает в размерах. Скорость слоёв жидкости, примыкающих к внешней границе пограничного слоя, увеличивается вдоль периметра трубы, а давление в соответствии с уравнением Бернулли

гидромеханическое давление

динамическое или скоростное давление

. (15.1)

давление веса жидкости, высотой z

При достижении угла атаки скорость достигает наибольшего значения и далее начинает уменьшаться, что сопровождается соответствующим увеличением или восстановлением давления. В этой области пограничный слой становится неустойчивым.

Имеем следующий график распределения коэффициента теплоотдачи по периметру трубы в зависимости от угла атаки :

Кормовая часть трубы омывается и поэтому коэффициент теплоотдачи возрастает.

На кривой 2 …

Второй минимум соответствует месту отрыва турбулентного пограничного слоя – примерно 140. За местом отрыва труба омывается вихрями (отрезок се), теплоотдача возрастает. Определяющий размер – внутренний диаметр d_вн, определяющая температура – средняя температура жидкости.

Точка b на графике 2 соответствует отрыву ламинарного пограничного слоя и образованию вихрей. Т.е. точка b соответствует переходу ламинарного течения в пограничном слое в турбулентное. Точка с соответствует … пограничного слоя. Точка d – отрыв турбулентного пограничного слоя от поверхности трубы.

Экспериментальными исследованиями поперечного омывания трубы занимался Шукаускас. Он обобщил многие экспериментальные данные, данные других авторов в виде экспериментальной зависимости. Средний по периметру трубы коэффициент теплоотдачи определяется:

. (15.2)

Различают три режима:

1. Ламинарное течение в пограничном слое:

.

2. Переходный режим (лобовая часть трубы омывается ламинарным пограничным слоем, а кормовая – турбулентным пограничным слоем):

.

3. Развитый турбулентный режим течения жидкости в пограничном слое:

.

При значении числа Рейнольдса происходит изменение закона теплообмена. Уравнение (15.2) справедливо при угле атаки .

Угол атаки потока – это угол между направлением потока и осью трубы.

Если угол атаки  отличается от 90, то необходимо ввести поправку в уравнение (15.2) на угол атаки:

, 	90	70	50	30	10	0
	1	0,98	0,87	0,67	0,55	0,5

В случае продольного омывания трубы коэффициент теплоотдачи меньше, чем при поперечном омывании.

Турбулентность потока, согласно рис. 12.2, характеризуется степенью турбулентности:

(пульсационные составляющие

скорости вдоль осей)

.

Влияние турбулентности набегающего потока на среднюю теплоотдачу трубы лежит в пределах:

.

Влияние турбулентности на среднюю теплоотдачу трубы

. (15.3)