Меню

Теплообмен потоков в трубах

Теплообмен при ламинарном течении жидкости в трубах

Теплообмен при ламинарном течении жидкости в трубах

  • Теплообмен в ламинарном потоке в трубах. Механизм процесса теплопередачи при течении жидкости в прямой и гладкой трубе очень сложен. — Коэффициент теплопередачи может варьироваться в широких пределах и в значительной степени зависит от скорости потока. Изменения температуры жидкости происходят как в

поперечном сечении, так и в трубе, а не в трубе. Характер движения жидкости в трубе может быть ламинарным и турбулентным. Характер потока определяется числом Рейнольдса: Re = wdJv, где w — средняя скорость жидкости. d — внутренний диаметр трубы. v — динамический коэффициент вязкости. Если Re 104 в трубе возникает развитая турбулентность. Поток жидкости. Схема потока формируется в первой части трубы. Затем вдоль трубы возле стенки образуется гидродинамический * пограничный слой, его толщина постепенно увеличивается и становится равной радиусу трубы, а также характеристике распределения постоянной скорости для данной

На входе в трубу скорость равномерно распределяется по трубе. Людмила Фирмаль

модели потока Установлено внутри. Входит так называемый стабилизированный поток. Последнее наблюдается как в ламинарном потоке, так и в турбине. Длина секции непрерывной стабилизации потока жидкости составляет около 50d. В теории и эксперименте теплопередача в потоке жидкости в трубе не одинакова по длине, поэтому в дополнение к секции стабилизированного потока

также формируется секция термостабилизации. Другими словами, коэффициент теплопередачи a имеет максимальное значение на входе в трубу и затем быстро уменьшается.Кроме того, T имеет тенденцию быть постоянным значением при стабильном потоке 1C (рис. 27-1). Тепловой пограничный слой, который формируется вблизи поверхности трубы, увеличивается с расстоянием от впускного отверстия и достигает толщины, равной радиусу трубы секции термостабилизации. Длина секции стабилизации * горизонтальная

круглая труба — зависит от теплопроводности партии, числа Re, стабилизированного потока и т. Д., Равного 50 д. Длина трубы Рисунок 27-1 Ламинарная изотерма: в случае потока жидкости скорость распределяется по сечению потока на расстоянии rx от оси трубы до параболы (рис. 27-2, а). » / ® = ^ max ‘O * -gx / г%. д, .. , Где shmak0 — скорость жидкости на оси трубы (если rx равно 0); — ■ • -r — радиус трубы. -Максимальная скорость на оси трубы, ноль на стене * • ч

  • Средняя скорость ламинарного потока w составляет 0,5 Domax. В ламинарном потоке вы столкнетесь с двумя режимами неизотермического движения: вязкостью и вязкой гравитацией. Законы этих режимов разные. Вязкая область соответствует течению вязкой жидкости при отсутствии естественной конвекции. В этом режиме передача тепла к стенке канала (и наоборот) осуществляется только за счет теплопроводности. 6) 3 Re> 1-J0t но ■ и Рисунок 27-2

Вынужденный гравитационный поток возникает, когда форсированный поток жидкости сопровождается естественной конвекцией. В этом режиме тепло передается не только за счет теплопроводности, но и за счет конвекции. В режиме вязкости вязкость изменяется с распределением температуры поперечного сечения, поэтому распределение скоростей поперечного сечения является чисто параболическим. Важно отметить, что распределение скоростей зависит от направления теплового потока: когда жидкость

нагревается, температура около стенки выше, чем температура основного потока, и вязкость ниже. Во время охлаждения процесс протекает в обратном направлении. чем при охлаждении, а теплопередача выше. В области вязкой гравитации направление естественной конвекции и вынужденного движения очень важно.

В результате при нагревании жидкости скорость на стенке выше, Людмила Фирмаль

Они совпадают, противоположны друг другу, перпендикулярны друг другу и наблюдаются в горизонтальных трубах. Когда естественная и принудительная конвекция совпадают, скорость жидкости в стенке увеличивается, а теплообмен увеличивается. В противоположном направлении принудительной конвекции и естественной конвекции скорость стенки уменьшается, а теплопередача уменьшается, но вблизи стенки может образовываться вихревое движение, что может

привести к увеличению теплопередачи. Теплопередача 1 увеличивается благодаря взаимно перпендикулярному движению естественной и принудительной конвекции благодаря лучшему перемешиванию жидкостей. » ‘ Следовательно, в неизотермических условиях строгий режим ламинарного потока не может существовать. В аналитических исследованиях теплообмена в условиях ламинарного потока окончательное разрешение еще не

найдено, и для определения коэффициента теплообмена используются эмпирические формулы. М в вязкой области. А. Михеев рекомендует определять средний коэффициент теплопередачи прямой и гладкой трубы по следующей формуле: d = 0,15 Re ^ S Pr ° -43 (Prz / Rgot) 0’25. (27-6) Для области вязкой гравитации довольно точное обобщение экспериментальных данных было получено М. А. Михеевым. М. А. Михеев является формулой Имя неизвестно ReUt’Rrzh43 (Pr „, / PrCT) 0 ‘(27-7) Для воздуха эта формула упрощена и

Читайте также:  Наращивание сваи из трубы

принимает вид: NH ^^ O.lSRe ^ Gri’1. «(27-8) В соответствии с этими уравнениями определяется число Нуссельта, и, соответственно, коэффициент теплопередачи составляет a = Liu ^. Здесь в качестве определяющей температуры принимается средняя температура жидкости. Средняя скорость жидкости в трубе является определяемой скоростью. Определить размер — диаметр круглой трубы или эквивалентный диаметр трубы любой формы. Эти формулы показывают среднее значение коэффициента теплопередачи для l / d>

50. Они могут применяться к любой жидкости и наиболее полно учитывать эффекты естественной конвекции и направления теплового потока. Последнее учитывается путем введения эмпирических факторов из отношения количества жидкостей и стенок Pr к степени 0,25. Для двухатомного воздуха число Прандтля практически не зависит от температуры, поэтому отношение Prz / Prst равно 1. Для труб длиной /

Источник

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 3 –10 4 течение называют, переходным. При Re > 10 4 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 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 > 10 4 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, м 3 /сек; F – площадь попереч. сечения трубы, м 2 .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 (Reж,d >10 4 ), 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 .

Источник

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ТЕЧЕНИИ ЖИДКОСТИ В ТРУБАХ

Гидродинамические условия развития процесса. При вынужденном движении жидкости внутри трубы различают два режима течения: ламинарный и турбулентный. Ламинарный режим наблюдается при малых скоростях движения жидкости. При скоростях потока, больших некоторого значения wкр, режим течения переходит в турбулентный. Для различных жидкостей и трубопроводов критическая скорость различна. Режим течения жидкости определяется по значению числа . Если Re меньше критического Reкр, то режим течения ламинарный. При движении жидкости в трубах . Развитый турбулентный режим течения устанавливается при значениях . Диапазон изменения Re от 2·10 3 до 1·10 4 соответствует переходному режиму течения.

Читайте также:  Расстояние между хомутами при монтаже полипропиленовых труб снип

Для ламинарного изотермического режима характерно параболическое распределение скоростей по сечению (рис. 2-14, а)

Рисунок 2.14 – Распределение скоростей по сечению при ламинарном (а) и турбулентном (б) режимах движения жидкости в трубе

Отношение средней скорости к максимальной при ламинарном режиме течения постоянно: .

Для развитого турбулентного режима движения жидкости распределение скорости по сечению трубы имеет вид усеченной параболы (рис. 2-14, б). Вблизи стенки трубы кривая изменяется резко, а в средней части сечения — турбулентном ядре потока — полого. Максимальная скорость наблюдается также на оси трубы.

Отношение средней скорости к максимальной является функцией числа Re.

Приведенные закономерности распределения скоростей по сечению трубы справедливы лишь для так называемого гидродинамически стабилизированного движения.

Рисунок 2.15 – Распределение скоростей по сечению при ламинарном (а)

и турбулентном (б) режимах движения жидкости в трубе

Стабилизация наступает не сразу, а на некотором расстоянии от входа в трубу. Процесс стабилизации профиля скоростей происходит следующим образом. Вблизи входного сечения на поверхности трубы образуется гидродинамический пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается по мере увеличения расстояния от входа в трубу. На некотором расстоянии от входа в трубу происходит смыкание слоев и течение приобретает стабилизированный характер. На рис. 2.15 схематически показано такое развитие процесса. Если число Рейнольдса меньше критического, то на всем протяжении гидродинамического начального участка стабилизации течение в пограничном слое имеет ламинарный характер (рис. 2.14, а). Когда Re>Reкp, вблизи входного сечения сначала формируется ламинарный пограничный слой, который затем переходит в турбулентный, и после смыкания турбулентных пограничных слоев устанавливается стабилизированное турбулентное течение жидкости (рис. 2.14, б). При этом у самой поверхности сохраняется тонкий ламинарный подслой.

Длина гидродинамического начального участка стабилизации потока при ламинарном режиме определяется соотношением

(2-14)

т. е. значение lн тем больше, чем выше число .

При турбулентном течении величина lн слабо зависит от Re и равна

. (2-15)

Следует отметить, что указанная картина течения может измениться под воздействием ряда факторов. К их числу можно отнести, изменение начального профиля скорости по сравнению с описанным выше, изменение условий входа жидкости в трубу и возможная существенная турбулизация потока и др.

Теплоотдача.развитие процесса теплоотдачи внутри труб вначале происходит качественно так же, как и при ламинарном пограничном слое на пластине (см. раздел 2.5.1). Около поверхности трубы образуется тепловой пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается в направлении движения потока. На некотором расстоянии от входа трубы lн.т. тепловые пограничные слои смыкаются, и в процессе теплообмена участвует далее весь поток жидкости. Протяженность начального теплового участка при tc = const равна

,

.

Обычно на практике ламинарный режим встречается при течении достаточно вязких теплоносителей, таких как различные масла, для которых значения Рr обычно значительно превышают единицу. В этих условиях длина теплового начального участка стабилизации lн.т. оказывается достаточно большой. Так, например, если Re = 200 и Рr = 500, то .

Значения и характер изменения локального коэффициента теплоотдачи по длине трубы зависят от целого ряда факторов, таких как профиль температуры жидкости на входе, начальный профиль скорости и условия входа жидкости в трубу, характер изменения температуры стенки по длине трубы.

На рис. 2-16а показано изменение локального и среднего коэффициентов теплоотдачи по длине трубы в случае, если на начальном участке имеется неизменный режим течения. Максимальная теплоотдача достигается на передней кромке трубы. Далее происходит падение локального коэффициента теплоотдачи до тех пор, пока тепловые пограничные слои не смыкаются. После этого локальный коэффициент теплоотдачи принимает постоянное значение. Из графика видно, что расстояние, на котором происходит стабилизация средних коэффициентов теплоотдачи, всегда больше расстояния, соответствующего стабилизации локальных коэффициентов теплоотдачи. В случае же, когда на начальном участке изменяется режим течения, описанная выше картина дополняется скачком теплоотдачи в области смены режима течения пограничного слоя (Рис. 2.16,б). После этого происходит некоторое снижение теплоотдачи и далее стабилизация.

Читайте также:  Муфта для соединения обсадной трубы

Рис. 2.16.- Изменение местного и среднего коэффициентов теплоотдачи по длине трубы

а- неизменный режим течения; б- смешанное течение

Рисунок 2.17 – Распределение скоростей по сечению при неизотермическом ламинарном течении жидкости в трубе

1 – при изотермическом течении; 2 – при охлаждении; 3 – при нагревании

Изменение температуры по сечению трубы приводит к изменению вязкости, причем, чем больше перепады температур, тем сильнее меняются вязкость и другие физические параметры (теплопроводность, теплоемкость) по сечению трубы. В зависимости от направления теплового потока изменение профиля скорости оказывается различным (рис. 2.17). При охлаждении жидкости ее температура у стенки ниже, а вязкость выше, чем в ядре потока. Поэтому по сравнению с изотермическим течением (1) в этих условиях скорость движения жидкости у стенки ниже, а в ядре потока выше (2). При нагревании жидкости, наоборот, скорость течения жидкости у стенки выше, а в ядре потока ниже (3).

Изменение вязкости приводит к изменению профиля поля скорости, что в свою очередь отражается на интенсивности теплообмена. Влияние данного фактора на теплоотдачу учитывается введением в уравнения подобия отношения , называемого поправкой Михеева. Следует особо отметить, что Prc означает, что чиcло Прандтля берется для теплоносителя при температуре стенки.

при ламинарном режиме течения жидкости в трубах расчет среднего коэффициента теплоотдачи при и может проводиться по формуле

(2-16)

где ; ; ;

;

При турбулентном режиме движения перенос теплоты внутри жидкости осуществляется в основном путем перемешивания. При этом процесс перемешивания протекает настолько интенсивно, что по сечению ядра потока температура жидкости практически постоянна. Резкое изменение температуры наблюдается лишь внутри тонкого слоя у поверхности.

На основе анализа и обобщения результатов многочисленных исследований для расчета средней теплоотдачи установлена зависимость [62]

(2-17)

при и

определяющая температура — средняя по сечению температура жидкости , характерный линейный размер — эквивалентный диаметр dэк:

где f — площадь поперечного сечения канала; u — полный периметр канала.

Для труб круглого сечения эквивалентный диаметр равен геометрическому.

Коэффициент учитывает изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы. Если , то . При необходимо учитывать влияние теплового начального участка. Значения приведены в таблице 2.1.

Значения зависимости при турбулентном режиме

1·10 4 1,65 1,50 1,34 1,23 1,17 1,13 1,07 1,03
2·10 4 1,51 1,40 1,27 1,18 1,13 1,10 1,05 1,02
5·10 4 1,34 1,27 1,18 1,13 1,10 1,08 1,04 1,02
1·10 5 1,28 1,22 1,15 1,10 1,08 1,06 1,03 1,02
1·10 6 1,14 1,11 1,08 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01

Для воздуха (или двухатомных газов) соотношение (2-17) упрощается (так как и ) и принимает вид:

(2-18)

Наконец, следует отметить, что при движении жидкости в изогнутых трубах (лабиринтных каналах, коленах, змеевиках ит.д.) неизбежно возникает центробежный эффект (Рис. 2.18 и 2.19 ) […]. Поток жидкости отжимается к внешней стенке, и в поперечном сечении возникает так называемая вторичная циркуляция. С увеличением радиуса кривизны R влияние центробежного эффекта уменьшается, и в пределе при (прямая труба) оно совсем исчезает. Вследствие возрастания скорости и вторичной циркуляции и как следствие этого увеличения турбулентности потока значение среднего коэффициента теплоотдачи в изогнутых трубах выше, чем в прямых.

Рис. 2.18 — Визуализация течения жидкости

в лабиринтном канале [ фЕД]

Рис 2.19 — Течение в изогнутом канале

Расчет теплоотдачи в изогнутых трубах производится по формулам для прямой трубы с последующим введением в качестве сомножителя поправочного коэффициента , который для змеевиковых труб определяется соотношением

(2-19)

где R — радиус змеевика; d — диаметр трубы.

В змеевиках действие центробежного эффекта на интенсификацию теплоотдачи распространяется на всю длину трубы. В поворотах же и отводах центробежное действие имеет лишь местный характер, но его влияние распространяется и дальше. За счет увеличения турбулентности потока в последующем за поворотом прямом участке трубы теплоотдача всегда несколько выше, чем в прямом участке до поворота.

Источник

Adblock
detector