Теория теплообмена. Теплопроводность. Основные положения теории теплопроводности. Теплопроводность при стационарном режиме. Теплопроводность при нестационарном режиме. Теплообмен при фазовых превращениях, страница 37

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

                при .

6.4.2. Теплоотдача в ограниченном пространстве

В ограниченном пространстве явления нагревания и охлаждения жидкости протекают вблизи друг друга, и разделить их невозможно, поэтому процесс нужно рассматривать в целом. Благодаря наличию ограниченности пространства и восходящих и нисходящих потоков усложняются условия движения жидкости. Здесь играют роль форма, геометрические размеры тела, род жидкости и интенсивность теплообмена.

                 

                                 а)                                                                  б)

  

                                 в)                                                                  г)

                 

                                 д)                                                                  е)

Рис. 68. Теплоотдача в ограниченном пространстве

а – вертикальные каналы и щели большой толщины d;

б – вертикальные каналы и щели малой толщины d (из-за взаимных помех возникают циркуляционные контуры);

в – в горизонтальных щелях процесс определяется взаимным расположением нагретых и холодных поверхностей и расстоянием между ними; если нагрета верхняя сторона, то циркуляция совсем отсутствует;

г – в щели нагрета нижняя сторона (, есть восходящие и нисходящие потоки, чередующиеся между собой;

д – внизу жидкость не циркулирует (;

е – вверху жидкость не циркулирует (.

Т. к. процесс естественной конвекции в ограниченном пространстве очень сложен, то такой теплообмен рассматривается как элементарное явление теплопроводности путем введения эквивалентного коэффициента теплопроводности:

                                                          .

Это позволяет такой теплообмен рассчитать по закону Фурье:

                                                       , Вт.

l_эк определяется по критериальному уравнению через:

                                                             ,

называемому коэффициентом конвекции.

Т. к. свободная конвекция зависит от определяющих критериев Pr и Gr, то и e_к является функцией от таких же аргументов:

                                                        .

За определяющую ширину принимают .

а) При малых значениях аргумента влияние конвекции незначительно:

               (или ),  ().

б) При

                                                  .

в) При

                                                   .

Получаемые результаты расчетов по в) меньше, чем по б), что при больших значениях  объясняется взаимной помехой в движении восходящих и нисходящих потоков жидкости.

В приближенных расчетах для всех значений  можно принять:

                                                                  (*)

или

                                                          ,

где   .

Если в (*) , то это значит, что  и .

6.5. Теплоотдача при поперечном обтекании труб

6.5.1. Одиночные трубы

Гидродинамический процесс имеет следующую картину.

а)

б)

в)

Рис. 69. Обтекание одиночной трубы; a – угол отрыва потока

а – безотрывное течение (до );

б – отрыв ламинарного пограничного слоя (°);

в – отрыв турбулентного пограничного слоя (°).

Характер и условия омывания передней (фронтовой) и задней (кормовой) половин цилиндра совершенно различны.

В лобовой точке набегающий поток разделяется на две части и плавно обтекает переднюю часть цилиндра трубы. На поверхности трубы образуется пограничный слой, который имеет наименьшую толщину в лобовой части и далее постепенно нарастает в размерах. Развитие пограничного слоя вдоль периметра трубы происходит в условиях переменной внешней скорости потока и переменного давления. Скорость среды, примыкающей к внешней границе пограничного слоя, увеличивается вдоль периметра трубы, а давление по уравнению Бернулли падает. При достижении точки ° (отсчет от лобовой точки) скорость достигает максимального значения и далее начинает уменьшаться, что сопровождается увеличением давления. В этой области пограничный слой становится неустойчивым, в нем возникает обратное течение, которое оттесняет поток от поверхности. В результате происходит отрыв потока и образование вихревой зоны, охватывающей кормовую часть трубы. Положение точки отрыва пограничного слоя зависит от значения Re и степени турбулентности набегающего потока. При малых числах Re (слабая турбулентность) течение до точки отрыва имеет ламинарный характер. При этом точка начала отрыва составляет °. При  течение в пограничном слое турбулентное, и точка отрыва отодвигается в область больших углов °.