Теплоотдача при поперечном обтекании труб

Процесс теплоотдачи при поперечном обтекании трубы характеризуется рядом особенностей, которые связаны с гидродинамикой движения жидкости вблизи поверхности трубы (рис.7.9).

а)застойная зона

циркуляционные зоны

б) Re_жd < 40

40 < Re_жd < 10³

в) Re_жd > 10⁵

Гидродинамика движения жидкости определяется числом Re_жd = wd/v, где d - наружный диаметр трубы.

При небольших скоростях потока жидкости (Re_жd < 40) обтекание трубы плавное, при более высоких скоростях (40 < Re_жd < l0³) происходит отрыв ламинарного пограничного слоя от поверхности трубы, угол отрыва φ = 80 - 90°. При значениях Re_жd > 10⁵ ламинарное течение в пограничном слое cменяется турбулентным, угол отрыва турбулентного пограничного слоя от поверхности трубы составляет φ = 120 - 140 °.

Образующийся на поверхности трубы пограничный слой имеет наименьшую толщину в лобовой точке и далее постепенно нарастает до тех пор, пока не произойдет отрыв потока. Характер изменения коэффициента теплоотдачи α = f(φ ) для позиций рис.7. 9 а, б, в показан на рис. 7. 10.

Коэффициент теплоотдачи принимает наибольшее значение на лобовой части трубы, где толщина пограничного слоя минимальная.

Из-за увеличения толщины пограничного слоя по периметру трубы коэффициент теплоотдачи уменьшается, достигая минимального значения в точке отрыва потока. В области циркуляционной зоны происходит увеличение коэффициента теплоотдачи за счет разрушения пограничного слоя. Для случая (в) первое увели-

Рис. 7.10 чение коэффициента теплоотдачи связано со сменой режима течения в пограничном слое, второе – с отрывом турбулентного пограничного слоя.

Для расчета среднего по периметру трубы коэффициента теплоотдачи рекомендуются следующие уравнения:

- при Re_жd < 40

(7.31)

- при 40 < Re_жd < 10³

(7.32)

- при 10³ < Re_жd < 2·10⁵

(7.33)

- при 2·10⁵ < Re_жd < 10⁷

(7.34)

Формулы (7.31) - (7.34) действительны для случая, когда угол между направлением потока жидкости и осью трубы, называемый углом атаки, равен 90 °. Если < 90 ^о, то найденный по этим формулам коэффициент теплоотдачи следует умножить на поправочный коэффициент ε =1- 0, 54 cos² .

В теплообменниках трубы располагаются в виде коридорных или шахматных пучков (рис.7.11).

Геометрическими характеристиками пучка являются: поперечный (s₁) и продольный (s₂) шаги, наружный диаметр трубы (d), количество рядов труб (n) по направлению движения жидкости.

Режим течения жидкости в пучках может быть ламинарным, турбулентным или смешанным и определяется числом Re_жd=wd/v, где d - наружный диаметр трубы.

При Re_жd < 10³ - ламинарный режим;

при Re_жd > 10⁵ - турбулентный;

при 10³ < Re_жd< l0⁵ - смешанный.

Экспериментальными исследованиями теплоотдачи в пучках установлено следующее:

1. При ламинарном режиме теплоотдача шахматных пучков выше, чемкоридорных, при смешанном режиме эта разница уменьшается. При турбулентном режиме теплоотдача шахматных и коридорных пучков практически одинакова.

2. С увеличением номера ряда пучка теплоотдача возрастает благодаря увеличению турбулентности потока при прохождении его через пучок.

Начиная с третьего ряда и далее, структура потока остается практически неизменной и коэффициент теплоотдачи принимает постоянное значение.

Средние коэффициенты теплоотдачи для третьего и последующих рядов в пучках при поперечном омывании труб потоком жидкости рассчитываются по следующим уравнениям.

Для коридорных пучков:

- при 40 < Re_жd < 10³ - ламинарный режим,

(7.35)

- при 10³ < Re_жd < 10⁵ - смешанный режим,

(7.36)

где = (s₂/d)^{-0, 15} - поправочный коэффициент, учитывающий плотность расположения труб в пучке;

- при Rе_жd > 10⁵ - турбулентный режим,

(7.37)

Коэффициент теплоотдачи первого ряда коридорного пучка α ₁ = 0, 6 α ₃, второго - α ₂ = 0, 9α ₃, где α ₃ - коэффициент теплоотдачи третьего и последующих рядов.

Для шахматных пучков:

-при 40 < Rе_жd < 10³

(7.38)

-при 10³ < Rе_жd < 10⁵

(7.39)

если s₁/s₂ < 2, то ε _s = (s₁/s₂) ^1/6,

ecли s₁/s₂ ≥ 2, то ε _s = 1, 12;

- при Rе_жd > 10⁵ коэффициент теплоотдачи шахматных пучков рассчитывается по уравнению (7.37).

Коэффициент теплоотдачи первого рада шахматного пучка α ₁ = 0, 6α _3, второго – α ₂ = 0, 6α ₃.

Уравнения (7.35) - (7.39) справедливы для угла атаки ψ = 90°. При ψ < 90° уменьшение коэффициента теплоотдачи следует учесть коэффициентом ε _ψ =

Конвективный теплообмен между трубами пучка и потоком жидкости рассчитывают по уравнению

Q=α _пучкаF(t_ж-t_с), (7.40)

где F, м² - площадь поверхности всех труб пучка.

Средний коэффициент теплоотдачи пучка рассчитывается по формуле

где n - число рядов.

При одинаковом числе труб в ряду (F₁ = F₂ =... = F_n)

(7.41)

Контрольные вопросы и задания

1. Для парового котла высотой h = 14 м с температурой поверхности обмуровки t_с=40 °С и температурой воздуха в цехе t_ж = 20 ^оC определите режим течения жидкости (воздуха) в пограничном слое при х = h.

Какие режимы течения жидкости имеют место по высоте поверхности обмуровки и какова протяженность участков с этими режимами?

2. Выведите формулы (7.12) и (7.13) с учетом (7.8) - (7.10) и уравнения теплового баланса Q_экв=Q_к+т+Q_л.

3. Можно ли уравнениями (7.20) и (7.21) воспользоваться для расчетов коэффициентов теплоотдачи:

а) при омывании труб продольным потоком жидкости;

б) при расчетах теплообмена между обшивкой летящего самолета и потоком воздуха, омывающего поверхность обшивки?

4. Какие режимы и при каких условиях имеют место в случае вынужденного течения жидкости в трубах? Сравните по коэффициенту теплоотдачи ламинарный и турбулентный режимы, вязкостный и вязкостно- гравитационный режимы. Дайте обоснование ответа.

5. Запишите формулу для определения коэффициента теплоотдачи при стабилизированном турбулентном течении жидкости в трубе. Подставьте в нее значения чисел Nu=α d/λ, Re=wd/v, Pr=v/a=(v·c_pp)/λ. и сделайте анализ зависимости

6. Сравните коэффициенты теплоотдачи при омывании трубы поперечным вынужденным потоком жидкости для угла атаки ψ = 90^о и ψ = 60^о. Во сколько раз они отличаются?

7. При каком режиме течения жидкости на теплоотдачу влияет плотность расположения труб в пучке?

Примеры решения задач

Задача № 1. Определить тепловые потери от паропровода диаметром d=200мм и длиной l = 20 м, проложенного в закрытом помещении с температурой воздуха t_Ж = 30 °С. Температура наружной стенки паропровода t_с = 150 °С.

Учесть потерю теплоты излучением. Степень черноты поверхности паропровода принять ε = 0, 9.

Решение

Здесь имеет место теплоотдача при естественной конвекции в большом объеме. При температуре t_ж = 30 °C для воздуха из табл.1 приложения имеем:

при t_с = 150 °С находим Рг_с = 0, 683.

Температурный коэффициент объемного расширения воздуха вычисляем по формуле

Находим произведение

Так как (Gr_жdPr_ж) < l0⁹, то средний коэффициент теплоотдачи рассчитываем по уравнению (7.7):

Сомножитель для воздуха, практически равен 1, поэтому для газов им можно пренебрегать.

Потери тепла конвекцией

Q_K =α π d l (t_c –t_ж) = 6, 45·3, 14·0, 2·20(150-30) = 9721 Вт,

излучением

Суммарные тепловые потери паропровода составляют

Q=Q_k+Q_л=24838 Вт.

Задача № 2. Определить плотность теплового потока, проходящего через вертикальную щель толщиной δ = 10 мм, заполненную воздухом. Температура горячей поверхности t₁ = 180 °С, степень черноты ε ₁ = 0, 9, холодной поверхности – t₂=60 ^oC, ε ₂ = 0, 5.

Решение

Между поверхностями, разделенными воздушной прослойкой, теплота передается теплопроводностью, конвекцией и излучением и может быть рассчитана по формуле

где

При средней температуре воздуха из табл.1 приложения находим

Определяем температурный коэффициент объемного расширения и рассчитываем произведение чисел подобия

Коэффициент конвекции

= 0, 18(3, 16·10³)^{0, 25} =1, 35.

Рассчитываем приведенную степень черноты поверхностей

и плотность лучистого потока

Тогда

Задача № 3. По трубке внутренним диаметром 8 мм и длиной l = 5м движется вода со скоростью w = 1, 2м/с. Температура поверхности трубки t_с ⁼ 90 °C, средняя температура воды в ней = 30 °С.

Определить коэффициент теплоотдачи и тепловой поток, передаваемый от стенки трубки к воде.

Решение

При средней температуре воды в трубке = 30 °С из табл. 2 приложения имеем:

при температуре стенки t_C = 90 °C Pr_c = l, 95.

Определяем число Рейнольдса

Режим течения турбулентный. По уравнению (7.28) рассчитываем средний коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к воде. Так как l/d = 5/0, 008 = 625 > 50, то ε _l = 1,

Тепловой поток

Q = = 7895·3, 14·0, 008·5(90-30) = 59, 5 кВт.

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. A. обеспечение выполнения расписания движения, корректировка движения в случае необходимости, оказание техпомощи ПС на линии, принятие мер в случае ДТП и др.
2. A. эксплуатируемые вручную или с применением ручного труда; без применения ручного труда (механические, автоматические и др.).
3. B. Специфика восприятия выразительных средств театра
4. Extended Primitives-расширенные примитивы
5. I ) При нейтральной оси в полке.
6. I. Заполнение фрагмента «Талон приема»
7. I. Общие сведения о воспитательном мероприятии
8. I. Прием и отправление поездов
9. I. Принятие нормативных актов органами государства.
10. I. ЭКГ при нарушениях ритма сердца (аритмиях)
11. I. Этические принципы психолога
12. II. Выберите, при каком условии верно данное утверждение.