Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в трубе

Течение жидкости в трубе, из-за ограниченных размеров площади поперечного сечения трубы имеет свои особенности. Частицы жидкости, которые соприкасаются со стенкой трубы, прилипают к ней и имеют скорость движения w = 0. На начальном участке трубы (ℓ_н) тормозящее действие стенок трубы оказывает влияние не на весь поток жидкости (рис. 1). Затем в любом сечении трубы на поток жидкости будет влиять торможение потока на стенке трубы.

 

Таким образом, на начальном участке трубы будет формироваться пограничный слой. После участка гидродинамической стабилизации ℓ_н пограничный слой заполняет все поперечное сечение трубы. Скорость движения и температура потока жидкости принимают практически постоянные значения по сечению потока.

Следует отметить, что с ростом толщины пограничного слоя наблюдается уменьшение значения местного коэффициента теплоотдачи a _х.

При вынужденном течении жидкости в трубе может быть три режима движения, которые определяются численным значением критерия Рейнольдса:

– ламинарный, Rе < 2300;

– переходный, 2300 ≤ Rе ≤ 10⁴;

– турбулентный, Rе > 10⁴.

При определении чисел подобия при вынужденном движении жидкости в трубе в качестве линейного размера принимается внутренний диаметр трубы d, а в качестве определяющей температуры принимается средняя температура потока жидкости.

При ламинарном течении жидкости в трубах возможны две зоны: вязкостная и вязкостно-гравитационная.

Наличие в жидкости разности температур приводит к возникновению подъемной силы, т. е. к существованию наряду с вынужденной также свободной конвекции. Если влиянием свободной конвекции можно пренебречь, то теплоотдача при ламинарном режиме будет соответствовать вязкостной зоне, в противном случае – вязкостно – гравитационной.

Влияние свободной конвекции на теплообмен в трубе учитывается произведением чисел (Gr×Pr).

Уравнения подобия для определения среднего коэффициента теплоотдачи при вязкостном (Gr×Pr < 8 × 10 ⁵) и вязкостно – гравитационном (Gr×Pr ³ 8 × 10 ⁵) течении имеют вид:

Nu = 1,55 × , (11)

Nu = 0,15 × Re ^0,33 × Gr ^0,1 × Pr ^0,43 × , (12)

где ℓ – длина трубы.

Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при переходном режиме движения используется формула:

Nu = (0,563 × Re^0,5 – 23,346) × Pr ^0,43 × . (13)

Для турбулентного режима движения жидкости в стальной трубе средний коэффициент теплоотдачи рекомендуется определять по уравнению подобия:

Nu = 0,021 × Re^0,8 × Pr ^0,43 × . (14)

Формулы для определения среднего коэффициента теплоотдачи (11) – (14) действительны при соотношении .

Если течение происходит по каналам некруглого сечения, то в качестве определяющего линейного размера принимается эквивалентный диаметр:

d_экв = , (15)

где f – площадь поперечного сечения канала (живое сечение); u – полный смоченный периметр канала.