Теплоотдача при вынужденном движении жидкости

В трубах и каналах

Интенсивность теплообмена в прямых гладких трубах зависит от режима течения потока, определяемого величиной Re=ω d/ν. Если Re£ Re_кр, то режим течения ламинарный. При движении жидкости в трубах Re_кр=2× 10³. Развитый турбулентный режим течения устанавливается при значениях Re> 10⁴; Re=2× 10³¸ 1× 10⁴ соответствует переходному режиму. При ламинарном движении происходит значительное изменение температуры по сечению трубы и, соответственно, изменение плотности текущей жидкости. Вследствие этого на вынужденное движение теплоносителя накладывается свободное движение. Интенсивность свободного движения характеризуется числом Грасгофа. Средний по длине трубы коэффициент теплоотдачи при вынужденном ламинарном движении жидкости в трубе, учитывающий влияние свободной конвекции, определяется, исходя из критерия Nu:

(4.79)

Уравнение (4.79), предложенное академиком М.А. Михеевым, используется для оценки теплоотдачи в трубах и каналах при Re< 2000 и вязкостно-гравитационном режиме течения,. Это уравнение определяет среднюю теплоотдачу в трубах и каналах различного поперечного сечения. За определяющий размер здесь принят диаметр трубы или эквивалентный диаметр канала:

d_э=4F/P, (4.80)

где P — периметр канала:

F — площадь его поперечного сечения.

Коэффициент ε _l в формуле (4.79) зависит от отношения l /d, где l ― длина трубы. При l /d> 50, ε _l =1. Значение для коротких труб выбирается в зависимости от l /d:

Таблица 4.4

Значение коэффициента ε _l

e l	1, 9	1, 7	1, 44	1, 28	1, 18	1, 13	1, 05	1, 02

При турбулентном режиме жидкость в потоке весьма интенсивно перемешивается и естественная конвекция практически не оказывает влияния на интенсивность теплообмена. Для определения среднего по длине трубы коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном движении (Re³ 10⁴) академик М.А. Михеев рекомендовал следующее уравнение подобия:

. (4.81)

В уравнение (4.81) не входит критерий Грасгофа, так как свободное движение не оказывает влияния на теплоотдачу. Уравнение (4.81) справедливо для различной формы поперечного сечения канала, в том числе для кольцевого (d₂/d₁=1¸ 5, 6) и щелевого (а/b=1¸ 40).

За определяющую температуру в уравнениях (4.81) и 4.79) принята средняя температура потока жидкости. За определяющий геометрический размер — диаметр трубы или эквивалентный диаметр канала любой формы.

Для воздуха формула (4.81) упрощается:

Nu=0, 018× Re^{0, 8}. (4.82)

При переходном режиме течения теплоотдача не может быть описана единым уравнением подобия, так как при этих условиях характер движения и теплообмена зависит от многих факторов, трудно подда-ющихся количественной оценке. При Re=idem соотношение между возможными максимальными коэффициентами теплоотдачи составляет 20¸ 100. Поэтому для этой области режимов теплообмена можно определить только наиболее вероятные значения коэффициентов теплоотдачи по уравнению

(4.83)

Величина к₀ выбирается в зависимости от величины критерия Re.

Таблица 4.5

Значение величины к₀