Теплоотдача при вынужденном движении

Она имеет место в различных теплообменных устройствах, поскольку широкие возможности изменения скорости потока в них позволяют легко изменять интенсивность теплоотдачи.

Вынужденное движение рабочего тела, осуществляемое при помощи нагнетателей - насосов, вентиляторов, компрессоров, является самым распространенным в технике.

Движение может быть ламинарным (вязкостным) или, чаще всего, турбулентным. Характер движения определяется значением критерия Рейнольдса - Re = wd/v. Ламинарный режим наблюдается при Re < 2300. Турбулентное движение может быть при Re > 3000, но стабильный турбулентный режим наблюдается в обычных условиях при Re >1*10⁴. Между значениями Re от 2300 до 10000 движение может носить неустойчивый характер (переходной режим).

При ламинарном потоке жидкость движется нссмсшивающимися геометрически подобными струями, при турбулентном поток пронизывается хаотически движущимися вихрями и жидкость перемешивается. Чем больше турбулентность, тем интенсивнее перемешивается жидкость, однако температура теплоносителя по сечению практически постоянна и поэтому роль свободной конвекции, зависящей от разности температур, заметного влияния на теплоотдачу не оказывает.

У стенки всегда наблюдается вязкий подслой (ламинарный пограничный слой), в котором жидкость движется крайне медленно и как бы прилипает к поверхности. Тепло через этот тонкий слой распространяется только теплопроводностью, и в нем наблюдается очень резкое падение температуры - от температуры жидкости до температуры стенки. Пограничный слой ограничивает теплоотдачу от жидкости к стенке.

Наоборот, при ламинарном движении в трубах перенос тепла в радиальном направлении осуществляется путем теплопроводности и теплоотдачи от жидкости к стенке (или наоборот) и протекает медленно вследствие малой теплопроводности жидкости.

Для расчета теплоотдачи при вынужденном движении жидкости внутри или снаружи круглой трубы (рис. 3.4, а, б) применяются критериальные уравнения типа:

где С, т и п определяются по опытным данным в зависимости от условий эксперимента. Графическое изображение этой зависимости (рис. 3.4, в) показывает, что при ламинарном движении (Re > 2300) величина Nu, а

Рис. 3.4. Теплоотдача при вынужденном течении жидкости: распределение скоростей по сечению трубы при ламинарном (а) и турбулентном (б) режимах; в - харакгер изменения интенсивности теплоотдачи при вынужденном движении жидкости

При ламинарном течении любой жидкости рекомендуется следующее критериальное уравнение М.А. Михеева:

Определяющая температура - температура жидкости, определяющий размер - эквивалентный диаметр = 4F/n (где F - площадь сечения канала, п - периметр сечения). Критерий Рг_ст выбирается по средней температуре стенки.

Параметр (Рг_ж/Рг_ст) учитывает влияние направления теплового потока и температурного напора. Уравнение (3.29) применимо в широком диапазоне значений Рг и Gr.

При турбулентном движении в результате интенсивного перемешивания температура жидкости по сечению ядра практически одинакова, поэтому критериальное уравнение для этого случая:

Определяющие параметры те же, что и в уравнении (3.29). Эта формула применима для всех капельных и газообразных жидкостей (Рг_ж = 0,7-2500) при Re > 10⁴.