Теплообмен при движении жидкости в трубах

 

    А) Ламинарный режим течения в трубах (Re_пот < 2200) при отсутствии свободной конвекции называется вязкостным, а при ее наличии — вязкостно-гравитационным. Переход одного режима в другой определяется величиной (GrPr) _m = 8 × 10⁵, которая находится по определяющей температуре пограничного слоя.

    Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при вязкостно-гравитационном режиме течения рекомендуется следующая расчетная формула:

Эта же формула для воздуха и двухатомных газов запишется в виде:

Nu _пот = 0,147 Re _пот ^0,33 Gr _пот ^0,1 ε _l.

    При вязкостном течении жидкости при (GrPr) _m < 10⁵ для расчета среднего по длине трубы коэффициента теплоотдачи рекомендована следующая формула:

,

где L и d _вн  — длина и внутренний диаметр трубы.

    Данная формула справедлива при   > 20 и при отношении коэффициентов динамических вязкостей = 0,00067÷14,3. Физические параметры жидкости, входящие в критерии, а также значение μ_пот выбираются по температуре t = t _ст – 0 ,5 ∆ t _ср. Вязкостный режим течения наблюдается в маслоохладителях, подогревателях тяжелого топлива, мазута и других вязких жидкостей и нефтепродуктов.

    Поправочный множитель ε_l при ламинарном режиме (Re < 2200) определяется с учетом соотношения длины трубы и ее диаметра:

Таблица 15-1

L/ dвн	1,0	2,0	5,0	10	15	20	30	40	50
ε l	1,9	1,7	1,44	1,28	1,18	1,13	1,05	1,02	1,0

 

Б) В области переходного режима движения жидкости (2200 < Re < 10⁴) нет достаточно достоверных данных по теплообмену. Для этой области характерно перемежаемость течения, чередование участников с ламинарной и турбулентной структурой, колебание во времени местного коэффициента теплоотдачи. Амплитуду этих колебаний следует оценивать по Nu_ламин. и Nu_{турбул.} при заданном Re. Иногда приближенно оценивают усредненный коэффициент теплоотдачи по неким обобщающим зависимостям. Одна из обобщающих зависимостей, используемая для таких расчетов, записывается в виде:

К_о = Nu _пот ,

где величина комплекса К_о может быть определена по величине числа Re:

Таблица 15-2

Reпот^.10^-3	2,2	2,3	2,5	3,0	3,5	4,0	5,0	6,0	7,0	8,0	9,0	10
Ко	2,2	3,6	4,9	7,5	10	12,2	16,5	20	24	27	30	33

В) При развитом турбулентном потоке для гладких труб и каналов рекомендуется следующая критериальная зависимость:

Nu _пот = 0,021 Re _пот ^0,8 Pr _пот ^0,43 ε _{l т}.

Это же уравнение для сухого воздуха или других двухатомных газов упрощается до вида:

Nu _пот = 0,018 Re _пот ^0,8 ε _{l т}.

Поправочный коэффициент ε _{l т} для турбулентного режима выбирается с помощью приведенной таблицы:

Таблица 15-3

L/d	1,0	2,0	5,0	10	15	20	30	40	50
при Reпот = 10^4	1,65	1,50	1,34	1,29	1,17	1,13	1,07	1,03	1,0
2 ×10^4	1,51	1,40	1,27	1,18	1,13	1,10	1,05	1,02	1,0
5 ×10^4	1,34	1,27	1,18	1,13	1,10	1,08	1,04	1,02	1,0
1 ×10^5	1,28	1,22	1,15	1,10	1,08	1,06	1,03	1,02	1,0
1 ×10^6	1,14	1,11	1,08	1,05	1,04	1,03	1,02	1,01	1,0

 

Г) При движении жидкости в изогнутых трубах (змеевиках) со средним диаметром изгиба (витка) D и внутренним диаметром трубы d _вн теплоотдача происходит интенсивнее вследствие появления центробежного эффекта и вторичной циркуляции объемов жидкости. При расчете теплоотдачи определяется число Re _пот = , которое сравнивается с двумя числами Рейнольдса:

Re _кр1 = 11,6  и Re _кр2 = 18500  при соотношении   < 2,5 × ^. 10³.

Если Re _пот < Re _кр1, то расчет теплоотдачи проводится по формулам для ламинарного режима течения в прямых трубах.

Если Re _кр1 < Re _пот < Re _кр2, то используется критериальное уравнение для турбулентного режима. При Re _пот > Re _кр2 коэффициент теплоотдачи определяется также для турбулентного режима, но умножается на

  ε _D = 1+ 3,6 .

    Д) Для продольно омываемых пучков труб кожухотрубных теплообменных аппаратов число Рейнольдса определяется по формулам для турбулентного режима с определяющим размером

,

где: D _вн — внутренний диаметр кожуха (канала), в котором располагается пучок труб; d _н — наружный диаметр трубок пучка; n — число трубок в пучке.

Если известен шаг s, то для пучков с коридорным (квадратным) расположением труб используют формулу

 

,

а для пучков с шахматным (треугольным) расположением

.

Е) При турбулентном течении жидкости или газа в каналах кольцевого поперечного сечения средний коэффициент теплоотдачи на внутренней стенке канала можно рассчитать по уравнению:

,

где D _вн — внутренний диаметр наружной трубы, а d _н — наружный диаметр внутренней трубы. За определяющий размер принят d _экв = D _вн – d _н.