Главная Процесс переноса теплоты



где / - поаеречное живое сечение трубы; Р - смоченный периметр поперечного сечения.

Эквивалентный или гидравлический диаметр йокв представляет собой, таким образом, учетверенное отношение объема жидкости V, находящейся в трубе, к поверхности F. Для круглых труб йакв=й.

Метод расчета теплоотдачи с помощью йокв является приближенным. Точные границы возможности применения этого метода не установлены. Однако, как показывают некоторые экспериментальные исследования, во многих случаях такой приближенный расчет дает удовлетворительные результаты. По рекомендациям М. А. Михеева [Л. 124] при турбулентном движении жидкости расчет теплоотдачи в каналах прямоугольного (отношение сторон а/й = 1-;-40) и треугольного сечений и при продольном омыванни пучка труб можно производить с 110.адощью эквивалентного диаметра.

Согласно [Л. 136] этот метод расчета непригоден при ламинарном течении и при течении расплавленных металлов.

По данным [Л. 61] средние коэффициенты теплоотдачи на внутренней стенке при турбулентном течении газов и капельных жидкостей в каналах кольцевого поперечного сечения можно рассчитать по уравнению

Здесь определяющей является средняя температура жидкости в трубе (исключая Ргс), определяющий размер йэкв=4-di. Особенности теплообмена в кольцевых каналах учитываются множителем (di]di)<>-, где dl - внутренний диаметр кольцевого канала; dz - внещ-ний диаметр. На графике рис. 8-14 приведено сопоставление формулы (8-16) с опытными данными. Формула (8-16) справсалива при dnldr- = 1,2-14, №=50-460 и Ргж=0,7-100.

Б. Теплоотдача в изогнутых трубах

В технике часто встречаются теплообменные аппараты, в которых один из теплоносителей протекает в изогнутом канале. При движении в таком канале в жидкости возникают центробежные силы, создающие в поперечном сечении циркуляционные токи, так называемую вторичную циркуляцию (рис. 8-15).

В результате возникает сложное движение жидкости по винтовой линии. С увеличением радиуса R влияние центробежного эффекта уменьшается и в пределе при прямой трубе (R = oo) исчезает. Вторичная циркуляция может наблюдаться как при турбулентном, так и при ламинарном течении. В последнем случае имеет место упорядоченное движение жидкости со сложными траекториями не смешивающихся между собой струек.

Экспериментально было установлено, что вторичная циркуляция возникает только при числах Рейнольдса, больших некоторых критических чисел Re„p, причем Рекр<Кекр1~2000 для прямой трубы.

В [Л. 185] для определения Re„p при течении жидкости в винтовых змеевиках предложена формула

Re.p=. (8-17)

где d - внутренний диаметр трубы; i? -радиус закругления змеевика. Формула (8-17) справедлива при (d/i?) 8-10-*.



При дальнейшем увеличении Re может наступить развитое турбулентное течение. В изогнутых трубах (винтовых змеевиках) критическое число Рейнольдса Re"„p больше Rckpi для прямых труб. При этом переход к закономерностям турбулентного режима происходит более плавно, чем в прямых трубах. При (d/R)8-10 значение критического числа Рейнольдса Re"Kp для течения жидкости в винтовых змеевиках может быть определено по формуле [Л. 185]

Re",g,= 18500 (dmy-.

(8-18)

Зависимости (8-17) и (8-18) приведены на рис. 8-16. Кривые для Re„p и Re"Kp выделяют три области. При Re<ReKp имеет место лами-

if ГШ"

S е 7 SS

s е 7 е sto"

Рнс. 8-14. Теплоотдача при турбулентном течении в кольцевых каналах воздуха, воды и трансформаторного масла.

нариое течение без вторичной циркуляции (область /); при ReKp<Re< <Re"Kp - ламинарное течение со вторичной циркуляцией (область 2); при Re>Re",ф - турбулентное при наличии вторичной циркуляции (область 3).

Согласно исследованию [Л. 185] при ReKp<Re<Re"„p для расчета коэффициента теплоотдачи можно использовать уравнение (8-11).

Если Re>Re"„p, то расчет теплоотдачи в изогнутых трубах следует вести по этой же формуле, но полученное значение коэффициента теплоотдачи необходимо умножить на величину е,иг, которая для змее-виковых труб определяется по уравнению

Е„, = 1 + 1,8-.

(8-19)

В змеевиках действие центробежного эффекта распространяется на всю длину трубы. В поворотах же и отводах труб центробежное действие имеет лишь местный характер, но его влияние распространяется



и дальше. За поворотом на прямом участке трубы теплоотдача должна быть несколько больше, чем до поворота, и затем уменьшаться до значений, соответствующих теплоотдаче в прямых трубах. В настоящее время нет исчерпывающих данных для учета этого эффекта.


Рис. 8-15. Течение в изогнуюм канале.

В. Теплоотдача в шероховатых трубах

При турбулентном течении жидкости в шероховатых трубах происходят существенные гидродинамические преобразования. Эти преобразования связаны с высотой бугорка шероховатости 6 и толщиной вязкого подслоя 6п. Упрощая явление, можно рассматривать два основных сличая: бугорки шероховатости глубоко погружены в подслой (6<C6u) и бугорки шероховатостп выходят за пределы вязкого подслоя (63>6ii).

В первом случае бугорки шероховатости не нарушают течения в подслое, они обтекаются без отрыва. При этом нет никакой разницы между гладкой и шероховатой трубами. Такое смывание бугорков шероховатости тем вероятнее, чем меньше число Re и относительная шероховатость б/d (d - диаметр трубы), так как с уменьшением числа Re толщина подслоя увеличивается. Понятие относительной шероховатости при этом приобретает чисто гидродинамический смысл.

Если бЗ>бп, течение в вязком подслое нарушается, происходит отрывное, вихревое обтекание бугорков шероховатости. Турбулентные пульсации у стенки, особенно у вершин бугорков, увеличиваются. Так как прн турбулентном течении жидкости основное термическое сопротивление передаче тепла сосредоточено в подслое, то изменение течения приводит к увеличению теплоотдачи. При ламинарном течении коэффициент теплоотдачи ц гидравлическое сопротивление не зависят от относительной шероховатости. В этом случае теплоотдача может увеличиваться за счет того, что шероховатая стенка имеет большую поверхность теплообмена, чем гладкая (эффект оребрения).

При турбулентном движении жидкости шероховатость начинает сказываться на теплоотдаче и гидравлическом сопротивлении при различных значениях чисел Re. Чем меньше б/d, тем больше предельное число Rcnp, соответствующее изменению закона теплоотдачи. При этом одновременно с ростом коэффициента теплоотдачи увеличивается и гидравлическое сопротивление Др.

В экспериментах шероховатость создавалась путем механической обработки (пэкатки, нарезки). Опыты показывают, что теплоотдача Б шероховатых трубах по сравнению с гладкими дополнительно зависит от формы неровностей поверхности, значения относительной шероховатости 6/d и расстояния между бугорками.

На графике рис. 8-17 представлены опытные данные, полученные на кафедре теоретических основ теплотехники МЭИ [Л. 57]. Опыты проводились с водой; шероховатость выполнялась в виде треугольной


Рис 8-16. Зависимость Кекр и ReKp от djD для изогнутых труб (змеевиков).



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


0.0207