Теория теплообмена. Теплопроводность. Основные положения теории теплопроводности. Теплопроводность при стационарном режиме. Теплопроводность при нестационарном режиме. Теплообмен при фазовых превращениях, страница 36

                                       . (17)

За определяющую температуру здесь принята средняя температура жидкости t, а за определяющий размер – эквивалентный диаметр d_эк, равный учетверенной площади поперечного сечения канала, деленной на его полный (смоченный) периметр, независимо от того, какая его часть участвует в теплообмене:

                                                             ,

где   f – площадь поперечного сечения канала;

        u – полный периметр канала.

Для круглого канала .

Коэффициент e_l учитывает изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы. При  . При  e_l выбирают по табличным данным.

Формула (17) справедлива для труб любой формы поперечного сечения (круглого, квадратного, прямоугольного , кольцевого ) и для всех упругих и капельных жидкостей при  и . Формула применима и для сложного случая, когда в трубе большего диаметра находится труба или несколько труб меньшего диаметра (продольное омывание).

Для воздуха (, ) формула (17) упрощается:

                                                     .

Теплообмен в изогнутых трубах (змеевиках, отводах, коленах) изменяется за счет действия центробежного эффекта. При этом поток жидкости отжимается к стенке, и возникает так называемая вторичная циркуляция. С увеличением радиуса кривизны R действие центробежного эффекта уменьшается и при  (прямой участок) совсем исчезает. Этот эффект учитывают сомножителем в формуле (17):

                                                        ,

где   d – диаметр трубы;

        R – радиус змеевика.

В змеевиках действие центробежного эффекта распространяется на всю длину трубы. В коленах и отводах это действие имеет локальный характер, но распространяется за элементом.

6.4. Теплоотдача при естественной конвекции

6.4.1. Теплоотдача в неограниченном пространстве

Явление теплообмена при естественной конвекции (свободном движении среды) имеет широкое распространение как в технике, так и в быту. Свободное движение жидкости или газовой среды наблюдается при появлении градиента разностей плотности нагретых и холодных частиц среды. Движение возникает без внешнего побуждения, но под действием процесса теплообмена, поэтому называется естественной конвекцией.

При свободном движении температура изменяется от t_c до t_ж в пограничном слое, а скорость w вначале растет, достигает максимума, и на большом удалении от стенки снова равна 0.

Рис. 66. Естественная конвекция

Вначале в направлении x толщина нагретого слоя мала, и течение жидкости имеет струйчатый ламинарный характер. Постепенно толщина пограничного слоя увеличивается и при определенном ее значении становится неустойчивой, т. к. движение становится волновым, переходит в вихреобразное, турбулентное с последующим срывом вихрей. С изменением характера движения меняется и интенсивность теплообмена: коэффициент теплоотдачи по направлению движения за счет роста толщины пограничного слоя уменьшается, а по мере перехода к турбулентному режиму a_x резко увеличивается и затем сохраняется постоянным.

В свободном движении форма тела играет второстепенную роль. Решающее значение здесь имеет протяженность поверхности и ее положение.

а)	б)	в)

                                                              

                                 г)                                                                  д)

Рис. 67. Естественная конвекция

а – нагретая плита обращена кверху; б – сплошная широкая плита; в – нагретая плита обращена вниз; г – шар d = 28 мм; д – шар D = 250 мм

В результате обобщения опытных данных получены критериальные уравнения, в которых за определяющую температуру принята температура жидкости t_ж, а за определяющий размер для горизонтальных труб – диаметр d, а для вертикальных поверхностей – высота поверхности h.

Для горизонтальных труб диаметром d:

         при .

Для вертикальных поверхностей (труба, пластина) при ламинарном режиме:

       при .