Главная Процесс переноса теплоты



Глава восьмая

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ТЕЧЕНИИ ЖИДКОСТИ В ТРУБАХ

8-1. особенности движения и теплообмена в трубах

Процесс теплоотдачи при течении жидкости в трубах является более сложным по сравнению с процессом теплоотдачи при омывании поверхности неограниченным потоком. Жидкость, текущая вдали от пластины, не испытывает влияния процессов, происходящих у стенки. Поперечное сечение трубы имеет конечные размеры. В результате, начиная с некоторого расстояния от входа, жидкость по всему поперечному сечению трубы испытывает тормозящее действие сил вязкости, происходит изменение температуры жидкости как по сечению, так и по длине канала. Все это сказывается на теплоотдаче.

В дальнейшем основное внимание уделим рассмотрению течения и теплобомена в гладких прямых трубах с неизменным по длине круглым поперечным сечением. Как и раньше, не будем учитывать диссипацию механической энергии. В жвдкости отсутствуют внутренние источники теплоты.

Течение жидкости может быть ламинарным и турбулентным. О режиме течения в трубах судят по значению числа Рейнольдса

Re=.


где W - средняя скорость жидкости; d - внутренний диаметр трубы. Если Re<RcKii»=2000, то течение является ламинарным. Значение Re„pi=2000 является нижним кретическим значением числа Рейнольдса. При Re>2000 поток посте единичного возмущения

уже не возвращается к ламинарному режиму течения.

Развитое турбулентное течение в технических трубах устанавливается при Re>Re„p,;=rOi.

Течение при Re=2. Ю-;-10 называют переходным. Ему соответствует и переходный режим теплоотдачи.

Если жидкость поступает в трубу из большого объема и стеики трубы на входе несколько закруглены, распределение скорости в начальном сечении считают равномерным (рис. 8-1). При движении у стенок образуется гидродинамический пограничный слой, толщина которого Постепенно нарастает. В достаточно длинных трубах на некотором расстоянии от входа пограничный слой заполняет все поперечное сечение. При постоянных физических свойствах жидкости после заполнения устанавливается постоянное распределение скорости, характерное для данного режима течения.

Расстояние, отсчитываемое от входа до сечения, соответствующего слиянию пограничного слоя, называется длиной гидродинамического начального участка или участком гидродинамической стабилизации.

Рнс 8-1 СтаСилизадия распределения скорости при движении жидкости в трубе.




Стабилизлрованное течение (ж>/„) не зависит от распределения скорости на входе (ж=0), но распределение скорости как при х</н, так ii при х>/ы может зависеть от процесса теплообмена.

Гидродинамический начальный участок наблюдается как при ламинарном, так и при турбулентном течении. Однако при Re>ReKpi течение в начальном участке может развиваться своеобразно. В передней части трубы может существовать ламинарная форма течения. Образующийся Турбушнтнсе ламинарный пограничный слой при -достижении критической толщины переходит в турбулентный. Толщина последнего быстро растет, пока не заполнит все течение трубы. Зона начального участка в месте изменения ре- - " j!Z,u/iap»70

жима течения характеризуется пере- пеВслсц

межаемостью движения. Изменение

режима течения может произойти и

за пределами начального гидродина- Рис. 8-2. Распределение скорости по мического участка. -РУб" -Ри стабилизирован-

г-г т-,--г- ПОМ ламинарном (а) и турбулент-

При Re5-10 практически с са- „о„ (g, течении жидкости. " мого начала развивается турбулентный пограничный слой. Если жидкость втекает из большого объема в трубу, имеющую острую кромку на входе, то в начале трубы образуются вихри, приводящие к быстрому разрушению ламинарного пограничного слоя.

Длина гидродинамического начального участка и его доли, занятые соответственно ламинарным и турбулентным пограничным слоями, зависят от числа Re, степени турбулентности потока на входе и ряда других факторов. Многие факторы взаимосвязаны.

Если поток гидродинамически стабилизирован (х>4,), скорости по сечению потока при ламинарном изотермическом движении распределяются по параболе (рис. 8-2,а):

г«а: = ама«с[1-(гУГс)],

где Го - радиус трубы; ш„акс - скорость на оси трубы (при г=0).

Средняя скорость при этом равна половине максимальной: wx=

= 0,5tf„aitc.

При турбулентном движении почти все сечение трубы заполнено турбулентно текущей жидкостью. У стенки же образуется вязкий подслой. При больших числах Re толщина подслоя составляет ничтожную часть диаметра трубы. Несмотря на это, для малотеплопроводных сред вязкий подслой является основным термическим сопротивлением.

При стабилизированном турбулентном течении жидкости в трубах распределение скорости по поперечному сечению имеет вид усеченной параболы (рис. 8-2,6). Максимальная скорость по-прежнему на оси трубы. Наиболее резко скорость изменяется вблизи стенки.

Распределение скоростей в турбулентной части потока (см. § 7-4) можно описать с помощью универсального логарифмического закона (7-21)

=-liife-fTi;




lO 0,8 o.f o,z о

Рис. 8-3 Распределение скорости в круглой трубе при различных числах Рейнольдса

здесь au=l/sc/p; y.* = ™»</./v; i/ = r„ - г (рис. 8-2). Согласно данным ряда исследований для турбулентного ядра (у* 30) х=0,4 и 4=5,5; для промежуточной между турбулентным ядром и вязким подслоем области ({;,s5&-30) 1/}<=5,0 и ri=3,05. В пределах вязкого подслоя ({/,0-5) принимается линейное изменение скорости:

= У* ™и

Напряжение трения на стенке есть функция числа Рейнольдса. Отсюда появляется завясимость распределения скорости по сечению от Re. Чем больше число Рейнольдса, тем резче изменяется скорость вблизи стенки и менее резко - в центральной части потока, т. е. эпюра скорости становится более заполненной (рис. 8-3). В результате отношение средней по сечению трубы скорости к максимальной (=0) будет зависеть от числа Рейнольдса. Экспериментально получено, что эта величина изменяется слабо и равна 0,8-0,9.

Приведенные сведения о распределении скорости в турбулентном потоке прежде всего соответствуют изотермическим течениям или течениям с практически ие проявляющейся перемешгастью физических свойств жидкости.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 [66] 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161


0.0348