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). Гидродинамика движения жидкости определяется числом Rежd=wd/v, где d – наружный диаметр трубы. При небольших скоростях потока жидкости (Rежd <40) обтекание трубы плавное, при более высоких скоростях (40< Rежd<103) происходит отрыв ламинарного пограничного слоя от поверхности трубы, угол отрыва 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 =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 увеличение 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 Rежd<40
- при 40< Rежd<103
- при 103< Rежd<2 ∙105
- при 2 ∙105< Rежd<107
Формулы (7.31) – (7.34) действительны для случая, когда угол ψ между направлением потока жидкости и осью трубы, называемый углом атаки, равен 90о. Если ψ<90о, то найденный по этим формулам коэффициент теплоотдачи следует умножить на поправочный коэффициент εψ=1- 0,54 cos2 ψ. 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 (п) по направлению движения жидкости. Режим течения жидкости в пучках может быть ламинарным, турбулентным или смешанным и определяется числом Rежd=wd/v, где d – наружный диаметр трубы.
При Rежd<103 – ламинарный режим; при Rежd>105 – турбулентный; при 103 <Rежd<105 – смешанный. Экспериментальными исследованиями теплоотдачи в пучках установлено следующее: 1. При ламинарном режиме теплоотдача шахматных пучков выше, чем коридорных, 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<Rежd<103 – ламинарный режим,
- при 103<Rежd<105 – смешанный режим,
где εs=(s2/d)-0,15 – поправочный коэффициент, учитывающий плотность расположения труб в пучке; - при Rежd>105 – турбулентный режим,
Коэффициент теплоотдачи первого ряда коридорного пучка второго - где - коэффициент теплоотдачи третьего и последующих рядов.
Для шахматных пучков: - при 40< Rежd<103
- при 103<Rежd<105
если s1/s2<2, то εs=(s1/s2)1/6, если s1/s2 2, то εs=1,12;
- при Rежd>105 коэффициент теплоотдачи шахматных пучков рассчитывается по уравнению (7.37). Коэффициент теплоотдачи первого ряда шахматного пучка второго - Уравнения (7.35) – (7.39) справедливы для угла атаки ψ=90о. При ψ<90о уменьшение коэффициента теплоотдачи следует учесть коэффициентом Конвективный теплообмен между трубами пучка и потоком жидкости рассчитывают по уравнению
где F, м2 – площадь поверхности всех труб пучка. Средний коэффициент теплоотдачи пучка рассчитывается по формуле где п – число рядов. При одинаковом числе труб в ряду (F1=F2=…=Fn)
Контрольные вопросы и задания 1. Для парового котла высотой h=14 м с температурой поверхности обмуровки tc=40оС и температурой воздуха в цехе tж=20оС 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 Qэкв=Qк+т+Qл. 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=ad/l, Re=wd/v, Pr=v/a=(v×cpr)/l и сделайте анализ зависимости
6. Сравните коэффициенты теплоотдачи при омывании трубы поперечным вынужденным потоком жидкости для угла атаки y=90о и y=60о. 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 =20 м, проложенного в закрытом помещении с температурой воздуха tж=30оС. Температура наружной стенки паропровода tс=150оС. 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 tж=30оС для воздуха из табл.1 приложения имеем: Prж=0,701, при tс=150оС находим Prс=0,683. Температурный коэффициент объемного расширения воздуха вычисляем по формуле Находим произведение
Так как (Grжd·Prж)<109, то средний коэффициент теплоотдачи рассчитываем по уравнению (7.7):
Сомножитель для воздуха, практически равен 1, поэтому для газов им можно пренебрегать. Потери тепла конвекцией излучением
Суммарные тепловые потери паропровода составляют
Задача № 2. Определить плотность теплового потока, проходящего через вертикальную щель толщиной δ=10 мм, заполненную воздухом. Температура горячей поверхности t1=180оС, степень черноты ε1=0,9, холодной – t2=60оС, ε2=0,5. Решение Между поверхностями, разделенными воздушной прослойкой, теплота передается теплопроводностью, конвекцией и излучением и может быть рассчитана по формуле где λэкв=λ εк+qл δ/(t1-t2). При средней температуре воздуха из табл. 1 приложения находим Определяем температурный коэффициент объемного расширения
и рассчитываем произведение чисел подобия
Коэффициент конвекции Рассчитываем приведенную степень черноты поверхностей и плотность лучистого потока Тогда Задача № 3. По трубке внутренним диаметром 8 мм и длиной =5м движетсявода со скоростью w=1,2м/с. Температура поверхности трубки tс=90оС, средняя температура воды в ней =30оС. Определить коэффициент теплоотдачи и тепловой поток, передаваемый от стенки трубки к воде.
Решение При средней температуре воды в трубке =30оС из табл. 2 приложения имеем: при температуре стенки tс=90оС Prc=1,95. Определяем число Рейнольдса
Режим течения турбулентный. По уравнению (7.28) рассчитываем средний коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к воде. Так как /d=5/0,008=625>50, то =1, Тепловой поток
Популярное: Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней... Как выбрать специалиста по управлению гостиницей: Понятно, что управление гостиницей невозможно без специальных знаний. Соответственно, важна квалификация... Как построить свою речь (словесное оформление):
При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (3510)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |