9.Особенности движения и теплообмена в трубах.

Механизм процесса теплоотдачи при течении жидкости в прямых гладких трубах является сложным.

Интенсивность теплообмена может изменяться в широких пределах и в большей степени зависит от скорости движения потока.

Изменение температуры жидкости происходит как по сечению, так и по длине трубы.

Характер движения жидкости в трубах может быть ламинарным и турбулентным. О режиме течения судят по величине числа Рейнольдса: где – средняя скорость жидкости; d– внутрен­ний диаметр трубы; – кинематический коэффициент вязкости. Если Re <2000, то движение жидкости будет ламинар­ным. При Re = 2·10³ –10⁴ течение называют, переходным. При Re > 10⁴ в трубе устанавливается развитое турбу­лентное течение жидкости. Формирова­ние характера потока происходит в на­чальном участке трубы. При входе в трубу скорости по сечению распреде­ляются равномерно. В дальнейшем при течении вдоль трубы у стенок образует­ся гидродинамический пограничный слой, толщина которого постепенно уве­личивается и становится равной радиусу трубы, а в трубе устанавливается по­стоянное распределение скоростей, характерное для данного режима течения, или наступает так называемое стабилизованное течение. Последнее наблюдается как при ламинарном, так и при турбулентном течении жидкости. Длина участка стабилизации равна примерно 50 d.

10.Теплоотдача при ламинарном и турбулентном течении жид-ти в трубах.

• Теплообмен при ламинарном течении жидкости в трубах.

Если Re <2000, то движение жидкости будет ламинар­ным. Формирова­ние характера потока происходит в на­чальном участке трубы. При входе в трубу скорости по сечению распреде­ляются равномерно. В дальнейшем при течении вдоль трубы у стенок образует­ся гидродинамический пограничный слой, толщина которого постепенно уве­личивается и становится равной радиусу трубы, а в трубе устанавливается по­стоянное распределение скоростей, или наступает стабилизованное течение. Оно наблюдается как при ламинарном, так и при турбулентном течении жидкости. Длина участка стабилизации равна примерно 50 d.Тепловой пограничный слой, который образуется у поверхности трубы, увеличивается по мере удаления от входа и на участке тепловой стабилизации достигает толщины, равной радиусу трубы. Длина стабилизованного участка для горизонтальной круглой трубы зависит от коэффициента теплопроводности, числа Re, стабилизованного течения и других и принимается равной 50 d.

При ламинарном изотермном течении жидкости скорости по сече­нию потока на расстоянии r_x от оси трубы :

где – скорость жидкости на оси трубы (при r_x=0); r – радиус трубы.

На оси трубы скорость будет максимальной, а у стенки равна нулю. Средняя скорость при ламинарном течении .

При ламинарном течении жидкости встречаются два режима неизо-ермного движения: вязкостный и вязкостно-гравитационный. Вязкостный режим -течение вязких жидкостей при отсутствии естественной конвекции. При этом режиме передача тепло­ты к стенкам канала (и наоборот) осуществляется только теплопро­водностью. Рас­пределение скоростей зависит от направления теплового потока.Вязкостно-гравитационный режим имеет место тогда, когда вынужденное течение жидкости сопровождается и естественной конвек­цией. При этом режиме теплота будет передаваться не только тепло­проводностью, но и конвекцией.В неизотермных условиях строго ламинарного режи­ма может не быть. При вязкостном режиме нужно определять средний коэффициент теплоотдачи в прямых гладких трубах по фор­муле . Для вязкостно-гравитационного режима нужны приближенные расчеты среднего коэффициента теплоотдачи .

По этим уравнениям определяется число Нуссельта, а по нему –коэффициент теплоотдачи , где за определяющую темпера­туру принята средняя температура жидкости: за определяющую скорость – средняя скорость жидкости в трубе; за определяющий размер – диаметр круглой трубы или эквивалентный диаметр трубы любой формы. Эти формулы дают среднее значение коэффициента теплоотдачи при l/d>50. Они применимы для любой жидкости и наиболее полно учитывают влияние естественной конвекции и направ­ление теплового потока.

• Теплообмен при турбулентном течении жидкости в трубах

При Re > 10⁴ в трубе устанавливается развитое турбу­лентное течение жидкости. При турбулентном движении жидкости, в связи с более сложным строением потока, распределение скоростей описать одним уравнением не удается. Почти все сечение трубы заполнено турбулентным потоком и только у самой стенки образуется ламинарный подслой, представ­ляющий основное термическое сопротивление. При стабилизованном турбулентном потоке распределение скоростей по сечению имеет вид усеченной параболы, Наиболее резко ско­рость потока изменяется вблизи стенки в пределах пограничного слоя, а в средней части сечения – полого. Максимальная скорость потока наблюдается на оси трубы. В практических расчетах пользуют­ся средними скоростями

,где V – секундный объем жид-ти, м³/сек; F – площадь попереч. сечения трубы, м².При турбулентном режиме отношение средней скорости к максимальной является функцией числа Re

Закономерности турбулентного течения жидкости спра­ведливы только при изотермном течении.При турбулентном потоке жидкость интенсивно перемеши­вается и естественная конвекция практически не оказывает влияния на теплоотдачу.

Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном движении (Re_ж,d >10⁴), когда l/d > 50, рекомендуется следующее уравнение подобия

. (6.9)

Для воздуха (при Pr≈0,7) эта формула упрощается

. (6.10)

За определяющую температуру принята средняя температура по­тока; за определяющий размер принят диаметр круглой трубы или эквивалентный диаметр трубы любой формы. Формулы применимы в пределах

и .

Для труб, имеющих l/d <50, коэффициент теплоотдачи выше, поэтому значение из формул (6.9) и (6.10) следует умножать на сред­ний поправочный коэффициент .