738

7.4. Теплоотдача при вынужденной конвекции

7.4.1.Теплоотдача в прямолинейных каналах Интенсивность теплоотдачи в прямых гладких каналах при вынужден-

ной конвекции определяется в основном режимом движения теплоносителя. Л а м и н а р н ы й режим. При ламинарном движении необходимо

учитывать влияние естественной конвекции. Наличие ее меняет закон распределения скорости в сечении, что сказывается на интенсивности теплообмена.

Для определения коэффициента теплоотдачи при ламинарном течении теплоносителя в прямых гладких трубах при (l/d)>50 используется критериальное уравнение М.А. Михеева [6]:

Здесь индекс „ср“ у критериев обозначает, что в качестве определяющей температуры принята средняя по длине канала температура теплоносителя. Критерий же Prcm определяется для теплоносителя при температуре стенки. Определяющим размером в этом уравнении является эквивалентный диаметр. Отношение Prcp/Prcm в уравнениях (7.14, 7.15) учитывает влияние на теплоотдачу направления теплового потока. Так как величина критерия

отдача интенсивнее в случае направления теплового потока от стенки к теплоносителю. Это явление можно объяснить меньшей толщиной теплового пограничного слоя вследствие влияния температуры на вязкость теплоносителя.

Т у р б у л е н т н ы й режим. При турбулентном режиме движения теплоноситель в канале весьма интенсивно перемешивается, и естественная конвекция не оказывает влияния на теплоотдачу. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном движении повсе-

за определяющую температуру принята средняя температура теплоносителя по длине канала, а определяющий размер ─ эквивалентный диаметр канала. Уравнения (7.16) и (7.17) применимы для прямых гладких труб при (l/d)>50

в пределах Re = 1 104 ... 5 105 и Pr = 0,6 ... 2500.

131

Для переходного режима (от ламинарного к турбулентному) надежных критериальных уравнений нет. Для определения приближенного коэффициента теплоотдачи в этой области можно использовать уравнение, рекомендо-

7.4.2.Теплоотдача на начальном участке канала При вынужденном движении теплоотдача по длине канала неодинако-

ва. Непосредственно у входа в канал коэффициент теплоотдачи имеет максимальное значение, на последующих участках длины он резко убывает, асимптотически приближаясь к некоторому постоянному значению, рис. 7.5а. Такая закономерность объясняется полем скоростей теплоносите-

ля, (см. рис. 7.5 b).

132

На входе в канал скорость теплоносителя одинакова по всему его сечению, динамический пограничный слой только начинает обозначаться, отсюда максимальное значение теплоотдачи. Далее, по каналу, скорость по сечению изменяется, толщина пограничного слоя растет, а коэффициент теплоотдачи падает. На некотором расстоянии от входа в канал скоростное поле стабилизируется, δд принимает постоянное значение, постоянным становится и коэффициент теплоотдачи α .

Участок канала от входа до сечения стабилизации температурного поля теплоносителя называют у ч а с т к о м т е п л о в о й с т а - б и л и з а ц и и .

Экспериментально установлено, что для горизонтальных каналов длина участка тепловой стабилизации lcm ≈ 50dэкв. Для определения коэффициента теплоотдачи на участке стабилизации используются те же уравнения, но с

зависимости от длины начального участка канала и значения Re, (табл. 7.2).

Т а б л и ц а 7.2

7.4.3. Теплоотдача в изогнутых каналах При движении теплоносителя в изогнутых каналах (отводах, коленах,

змеевиках) неизбежно возникает центробежный эффект, характер движения нарушается: поток теплоносителя отжимается к внешней стенке, отчего

133

R

где d – диаметр трубы;

R – радиус кривизны канала.

Рис. 7.6

7.4.4. Теплообмен потока с преградами

При обтекании тел, стоящих на пути движения теплоносителя, форма их поверхности определяет условия формирования пограничного слоя и поэтому существенно влияет на интенсивность теплоотдачи. На рис. 7.7 а показана картина течения при поперечном обтекании цилиндра (трубы). В месте натекания потока на поверхность образуется пограничный слой, толщина которого по мере движения теплоносителя вдоль образующей цилиндра увеличивается. Затем происходит отрыв потока, и образуются вихри.

С изменением характера обтекания меняется и коэффициент теплоотдачи. На рис. 7.7 б показано изменение относительного значения коэффициента теплоотдачи по окружности цилиндра. Здесь - местное значение

134

Другие критериальные уравнения, описывающие конвективный теплообмен при взаимодействии теплоносителя с преградами, приведены в Приложении табл. 13.

7.4.5. Теплоотдача в газоходах

Часто теплотехнические задачи состоят в необходимости определения коэффициентов теплоотдачи в каналах различных форм и размеров, например, газоходах котельных установок, в цилиндрах и теплообменниках поршневого компрессора, в коллекторах и глушителях ДВС и т.п. При этом теплоноситель может быть в виде а э р о з о л е й. Аэрозоль – это коллоидная система, состоящая из газовой среды, в которой взвешены твердые или жидкие частицы (дым, туман).

Теплоотдачу аэрозолей в прямых гладких каналах можно определить по критериальному уравнению, рекомендованному в работе [12],

ющую температуру принята температура теплоносителя на входе в канал, за определяющий размер – dэкв. В криволинейных газоходах интенсивность теплоотдачи возрастает, найденное по уравнению (7.22) значение α нужно умножить на поправочный коэффициент εR (7.19). В сечениях газоходов, где теплоноситель меняет направление течения на угол 90о и более, значение коэффициента теплоотдачи возрастает примерно в 1,8 раза.

В некоторых типах газоходов теплоносителю приходится омывать трубчатые теплообменники. Такие теплообменники, как правило, выполняются в виде пучков труб с нормальным расположением к направлению движения теплоносителя. Различают коридорное и шахматное расположение труб в пучке, рис. 7.8.

Первый ряд труб в обоих пучках по условиям обтекания близок к одиночной трубе, трубы же последующих рядов находятся в других условиях.

135

Рис. 7.10

Всплывающие пузырьки все интенсивнее перемешивают жидкость, наступает режим развитого п у з ы р ч а т о г о кипения, резко возрастает (зо-

на II).

Когда центров парообразования становится очень много, паровые пузырьки объединяются в пленку, которая покрывает сначала отдельные участки поверхности, а затем полностью отделяет жидкость от поверхности. Пленка непрерывно разрушается и уходит от поверхности нагрева в виде больших пузырей. Вместо разрушившейся пленки возникает новая. Такое кипение называется п л е н о ч н ы м . В этих условиях теплота от поверхности нагрева к жидкости передается в основном за счет теплопроводности паровой пленки, что существенно снижает коэффициент теплоотдачи (зона III). Когда пленка покрывает всю поверхность нагрева, условия теплообмена стабилизируются, и при дальнейшем увеличении T коэффициент теплоотдачи практически не изменяется.

Вобласти перехода пузырчатого кипения в пленочное зависимость

f ( Т) имеет максимум. Режим, отвечающий максимальному значению

К). При критическом режиме теплоотдача в 250 раз интенсивнее, чем в начале развитого пузырчатого кипения.

В процессе кипения жидкости перенос теплоты сопровождается образованием и движением пузырьков пара и перемешиванием жидкости. Это очень усложняет процессы исследования теплоотдачи, затрудняет обобщение опытных данных и получение критериальных уравнений.

Для оценки коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении однокомпонентных жидкостей в большом объеме в работе [12] рекомендуется выражение:

циент кинематической вязкости, коэффициент поверхностного натяжения; Тн – температура насыщения;

q – плотность теплового потока, подводимого к поверхности нагрева. Все теплофизические свойства определяются при температуре насыщения.

При напорном течении кипящей жидкости в трубах интенсивность теплообмена определяется вынужденной конвекцией и влияющим на нее процессом парообразования. Если скорость течения жидкости мала, то ин-

139

тенсивность теплоотдачи определяется, главным образом, разрушением вязкого подслоя образующимися на поверхности нагрева паровыми пузырьками. При больших значениях с вынужденное течение подавляет влияние кипения.

Расчетное значение коэффициента теплоотдачи рекомендуется определять в зависимости от соотношения между коэффициентом теплоотдачи αк, рассчитанным по выражению (7.25), и αс, рассчитанным по формулам конвективного теплообмена при вынужденном течении однофазной жидкости:

7.5.2. Теплоотдача при конденсации пара

При соприкосновении пара со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения, происходит конденсация. На поверхности, не смачиваемой образовавшимся конденсатом, жидкость осаждается в виде отдельных капель (к а п е л ь н а я конденсация). На смачиваемой поверхности конденсат образует сплошную пленку (п л е н о ч н а я конденсация). В теплообменных аппаратах и различных технических устройствах, где имеет место теплообмен при той или другой конденсации, наиболее распространена пленочная конденсация.

На вертикально расположенных стенках или трубах пленка конденсата будет стекать вниз под действием гравитационных сил, при этом ее течение может иметь ламинарный или турбулентный режим.

В работе [12] приводятся выражения среднего коэффициента теплоотдачи по высоте вертикально расположенной стенки или трубы в процессе пленочной конденсации неподвижного пара.

При Z< 2300 (ламинарный режим течения пленки)

В горизонтальной трубе при ламинарном режиме течения пленки в неподвижном паре для определения ср в [12] рекомендуется уравнение:

140