3 Тепловіддача в разі вимушеного руху теплоносія
3.1 Загальні відомості
Оскільки в цьому випадку процес тепловіддачі пов'язаний з рухом теплоносія, то розрізнюють два основних режими течії: ламінарний та турбулентний. Перехід від першого режиму до другого визначається деяким "критичним" значенням критерію Рейнольда Reкр, яке залежить від ряду факторів: швидкості течії, розмірів каналу, фізичних властивостей теплоносія, шорсткості матеріалу стінки та ін. Під час руху теплоносія вздовж поверхні на стінці утворюється гідродинамічний приграничний шар (рис. 3.1), рух рідини (газу) в якому може мати ламінарний або турбулентний характер. В процесі теплообміну на поверхні стінки утворюється тепловий приграничний шар (рис.3.1), в межах якого температура теплоносія змінюється від температури на стінці tc до температури рідини tp вдалині від стінки. Під час ламінарної течії теплота в приграничному шарі переноситься поперек теплопровідністю за законом Фур’є де α – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2·К) Співвідношення між товщинами теплового і гідродинамічного шару визначається величиною Коефіцієнт тепловіддачі α зростає в разі збільшення критерію Re (зменшення товщини приграничного шару). Зазвичай значення коефіцієнтів тепловіддачі визначають за експериментальними критеріальними рівняннями. Повздовжнє обтікання пластин Ламінарний приграничний шар спостерігається в разі де х – відстань від передньої кромки пластини. Із (3.3) видно, що товщина шару зростає зі збільшенням х. Для певного значення х = хкр ламінарний приграничний шар перетворюється на турбулентний. Розрізнюють локальний (місцевий) і середній коефіцієнти тепловіддачі. Локальні коефіцієнти тепловіддачі визначаються з критеріальних рівнянь: – для ламінарного руху в приграничному шарі: – для турбулентного руху в приграничному шарі Середні значення коефіцієнтів тепловіддачі визначаються за співвідношеннями: – для ламінарного режиму – для турбулентного режиму де Для пластин, у яких початкова ділянка довжиною В рівняннях (3.4) – (3.8) визначальним геометричним розміром є обігрівана частина пластини Рух теплоносія всередині каналів Для ламінарної течії Rе ≤ 2300 рух рідини ускладнюється наявністю природної (naturaly) конвекції, яка виникає внаслідок різниці температур по перерізу потоку. Завдяки природній конвекції спостерігається деяке прискорення потоку, в результаті чого інтенсивність тепловіддачі збільшується у вертикальних каналах. Визначальним лінійним розміром в критеріях подібності є так званий еквівалентний діаметр, який визначається за формулою де f і П – площа поперечного перерізу і периметр каналу, відповідно. Легко визначити, що для круглих труб (tubes) de дорівнює внутрішньому діаметру труби – dв; для прямокутного каналу розмірами а Середнє значення критерію Нуссельта для ламінарної течії визначається із рівняння В (3.10) визначальною є середня температура рідини в трубі. Множник Ra0,1 вводиться, коли Таблиця 3.1 – Значення коефіцієнта
В разі турбулентного руху перенесення теплоти здійснюється в основному за рахунок перемішування (mixing). Для усталеної турбулентної течії в каналах критеріальне рівняння тепловіддачі має вигляд Визначальним лінійним розміром є еквівалентний діаметр de, а визначальною температурою – середня температура теплоносія. Значення Таблиця 3.2 – Значення
Для перехідного режиму течії (2300 < Rе < 1·104) користуються рівнянням (3.11), вводячи в нього поправковий коефіцієнт εп, значення якого наведено в табл. 3.3. Таблиця 3.3 – Значення εп=f(Rе)
Теплообмін в кільцевих каналах, утворених трубами діаметрами Dвн і dзн описується критеріальним рівнянням За визначальний лінійний розмір в (3.12) береться еквівалентний діаметр Теплообмін в зігнутих трубах і змійовиках можна обчислювати за формулами для прямих труб, але у формули (3.10) і (3.11) вводиться поправковий множник Для інтенсифікації теплообміну застосовують труби зі штучною шорсткістю (roughness) з висотою нерівностей d і кроком між ними S. Оптимальним співвідношенням вважається S/d = 13. Критеріальне рівняння в цьому випадку має вигляд де e e З метою інтенсифікації теплообміну застосовують також профільно-виті труби з канавками і виступами висотою h з кроком між виступами (западинами) S. Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі визначається з критеріального рівняння де Nuгл – критерій Нуссельта для гладких труб;
Контрольні запитання
1. Поясніть механізм теплообміну в разі вимушеної конвекції. 2. Назвіть критерії, які характеризують тепловіддачу для вимушеного руху рідини. Поясніть їх фізичний зміст. 3. Запишіть в загальному вигляді критеріальне рівняння теплообміну для вимушеного руху рідини в трубах. Як враховується вплив вільної конвекції? 4. Що називають еквівалентним діаметром і в яких випадках використовують цю величину? 5. Поясніть, що таке локальний та середній коефіцієнти тепловіддачі. 6. Поясніть, що таке ділянка теплової та гідродинамічної стабілізації. 7. Які особливості теплообміну за умови вимушеного обтікання плоскої пластини? 8. Які режими є характерними для теплообміну в процесі вимушеного руху рідини? 9. Поясніть, які фактори впливають на інтенсивність тепловіддачі в разі стабілізованої течії рідини в трубах. 10. Поясніть розподіл швидкості руху рідини в трубах для вимушеної ламінарної та турбулентної течії. 11. Запишіть в загальному вигляді критеріальне рівняння теплообміну для вимушеного руху двоатомних газів. 12. Що таке коефіцієнт тепловіддачі? Функцією яких величин є коефіцієнт тепловіддачі? 13. Що розуміють під визначальним розміром та визначальною температурою? |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||