Течение теплоносителя внутри труб.

Процесс теплоотдачи жидкости в трубах очень сложен. Интенсивность теплообмена зависит от скорости потока, от температуры, изменение которых происходит как по сечению канала, так и по длине. Характер движения жидкости в трубах может быть ламинарным, переходным и турбулентным, и определяется числом Рейнольдса. Стабилизованное течение устанавливается после 50 d. При ламинарном изотермическом течении жидкости скорости на расстоянии r_x от оси распределяются по параболе. На оси трубы скорость имеет максимальное значение, а у стенок равна нулю. ( Рис. 2.5)

При ламинарном течении жидкости встречаются два режима неизотермического движения: вязкостный и вязкостно-гравитационный. Законы для этих режимов различны.

При вязкостном режиме передача теплообмен осуществляется только теплопроводностью.

При вязкостно-гравитационном режиме имеет место теплообмен теплопроводностью и конвекцией.

Рис. 2.5 Распределение скоростей от чисел Rе

При ламинарном течении жидкости в трубе в вязкостном режиме Михеев М.А предлагает пользоваться эмпирической формулой

Nu_ж = 0,15 Rе_ж^0,33 Рr_ж^0,43 ( Рr_ж / Рr_ст )^0,25 2.43

При GrPr > 8^.10⁵имеет место вязкостно- гравитационный режим

Nu_ж = 0,15 Rе_ж^0,33Рr_ж^0,43Gr_ж^0,1 ( Рr_ж / Рr_ст )^0,25 2.44

Для воздуха эта формула упрощается

Nu_ж = 0,13 Rе_ж^0,33 Gr_ж^0,1 2.45

Приведенные формулы справедливы для любой жидкости. При определении коэффициента теплоотдачи для труб, имеющих длину ℓ / d < 50d, полученное значение следует умножить на поправочный коэффициент _ℓ.

ℓ / d …. 1 4 5 10 15 20 30 40 50

ℓ 1.9 1.7 1.44 1.28 1.18 1.13 1.05 1.02 1

При турбулентном режиме Re_ж = 1^.10⁴ – 5^.10⁶ и Pr_ж = 0,6 –2500 l /d > 50 формула имеет вид

Nu_ж = 0,021 Re_ж^0,8Рr_ж^0,43 ( Рr_ж / Рr_ст )^0,25 2.46

Для воздуха (при Рr ~ 0,7 )

Nu_ж = 0,018 Re_ж^0,8 2.47

В приведенных формулах отношение (Рr_ж/ Рr_ст)^0,25 показывает направление теплового потока.

При турбулентном течении в изогнутых трубах – змеевиках вследствие центробежного эффекта в поперечном сечении трубы возникает вторичная циркуляция, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи. Расчет теплоотдачи в змеевиках следует вести по формулам 2.46 и 2.47 для прямой трубы, но полученное значение коэффициента теплоотдачи необходимо умножать на поправочный коэффициент ε = 1 – 3,6 d / D, где d – диаметр трубы, D – диаметр спирали.

При переходном режиме в трубах (Re = 2^.10³ – 10⁴) теплоотдача зависит от очень многих величин, которые трудно определять, и поэтому не может быть описана одним уравнением подобия и можно рассчитывать только приближенно.

Поперечное обтекание одиночной трубы и пучка труб. Процесс теплоотдачи при поперечном обтекании одиночной трубы характеризуется рядом особенностей. Плавное, безотрывное омывание поверхности круглой трубы происходит только при Re < 5. При увеличении скорости течения и возрастании числа Re условия омывания лобовой и кормовой частей трубы различны. Ламинарный пограничный слой около лобовой части трубы переходит в кормовой части в вихревое движение. Только 45-47 % поверхности от лобовой части трубы омывается потоком жидкости безотрывно, вся остальная часть находится в вихревой зоне. Чем больше скорость потока, тем большая поверхность находится в вихревой зоне.

При Re = 1^.10⁶ – 4^.10⁶ появляется турбулентный пограничный слой, что приводит к уменьшению вихревой зоны в кормовой части трубы и обтекание ее улучшается. Приведенные особенности обтекания поперечного омывания одиночной трубы оказывают влияние на значение коэффициента теплоотдачи. В лобовой части трубы коэффициент теплоотдачи имеет наибольшее значение, так как пограничный слой имеет наименьшую толщину. По мере движения жидкости толщина пограничного слоя увеличивается, а значение коэффициента теплоотдачи уменьшается. Следовательно, при поперечном омывании трубы появляется понятие локальных коэффициентов теплоотдачи. Нахождение локальных коэффициентов теплоотдачи сложно и рассматривается в специальных исследованиях. Экспериментальные исследования показали, что можно пользоваться формулами : при Re_ж = 5 – 1^.10³

Nu_ж = 0,5 Re_ж^0,5Рr_ж^0,38 (Рr_ж / Рr_ст )^0,25 2.48

Для воздуха

Nu_ж = 0,43 Re_ж^0,5 2.49

При Re_ж = 1^.10³ – 2^.10⁵

Nu_ж = 0,25 Re_ж^0,6Рr_ж^0,38( Рr_ж / Рr_ст )^0,25 2.50

Для воздуха

Nu_ж = 0,216 Re_ж^0,6 2.51

При вычислении чисел подобия за определяющий линейный размер принят внешний диаметр трубы, за определяющую температуру – средняя температура жидкости. Скорость отнесена к самому узкому сечению канала. Приведенные формулы справедливы для трубы, расположенной перпендикулярно направлению потока. Если угол атаки < 90⁰ , то следует вводить поправочный коэффициент є, приведенный ниже

Поперечное омывание пучков труб. В технике имеют большое распространение теплообменные аппараты, собирающиеся из круглых пучков труб и омывающихся поперечным потоком жидкости. Расположение труб в пучках чаще всего бывает коридорное и шахматное (рис.2.6 ).

Рис.2.6 Расположение труб в пучках