Теплоотдача при поперечном обтекании одиночной круглой трубы.

При поперечном омывании трубы при значении числа Рейнольдса имеет место плавное безотрывное омывание внешней поверхности. С увеличением числа Рейнольдса режим становится ламинарным, а при , со стороны кормовой части трубы возникают вихревые потоки и отрыв пограничного слоя. Отрыв происходит при угле атаки .

При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса угол отрыва вырастает с 80° до 440°. В лобовой точке набегания потока поток разделяется на две части, на поверхности трубы образуется пограничный слой, который имеет начальную толщину в лобовой точке, и далее постепенно нарастает в размерах. Скорость слоёв жидкости, примыкающих к внешней границе пограничного слоя, увеличивается вдоль периметра трубы, а давление в соответствии с уравнением Бернулли

. (15.1)

 

При достижении угла атаки скорость достигает наибольшего значения и далее начинает уменьшаться, что сопровождается соответствующим увеличением или восстановлением давления. В этой области пограничный слой становится неустойчивым.

Имеем следующий график распределения коэффициента теплоотдачи по периметру трубы в зависимости от угла атаки j:

Кормовая часть трубы омывается и поэтому коэффициент теплоотдачи возрастает.

На кривой 2 …

Второй минимум соответствует месту отрыва турбулентного пограничного слоя – примерно 140°. За местом отрыва труба омывается вихрями (отрезок се), теплоотдача возрастает. Определяющий размер – внутренний диаметр d_вн, определяющая температура – средняя температура жидкости.

Точка b на графике 2 соответствует отрыву ламинарного пограничного слоя и образованию вихрей. Т.е. точка b соответствует переходу ламинарного течения в пограничном слое в турбулентное. Точка с соответствует … пограничного слоя. Точка d – отрыв турбулентного пограничного слоя от поверхности трубы.

. (15.2)

Различают три режима:

1) Ламинарное течение в пограничном слое:

.

2) Переходный режим (лобовая часть трубы омывается ламинарным пограничным слоем, а кормовая – турбулентным пограничным слоем):

.

3)Развитый турбулентный режим течения жидкости в пограничном слое:

.

При значении числа Рейнольдса происходит изменение закона теплообмена. Уравнение (15.2) справедливо при угле атаки .

Угол атаки потока – это угол между направлением потока и осью трубы.

Если угол атаки j отличается от 90°, то необходимо ввести поправку в уравнение (15.2) на угол атаки:

, °
		0,98	0,87	0,67	0,55	0,5

В случае продольного омывания трубы коэффициент теплоотдачи меньше, чем при поперечном омывании.

Турбулентность потока, согласно рис. 12.2, характеризуется степенью турбулентности:

(пульсационные составляющие скорости вдоль осей)

.

 

25) Теплопередача через плоскую стенку (при граничных условиях III рода)

Теплопередача – процесс теплообмена между двумя средами (теплоносителями), разделёнными стенкой (перегородкой). В этом случае при граничных условиях III-рода задаются температуры сред теплоносителей, коэффициенты теплоотдачи между горячей средой и стенкой и между стенкой и холодной средой, т.е. задаётся закон теплообмена. Также задаётся коэффициент теплопроводности и толщина стенки δ.

Требуется найти плотность теплового потока, тепловой поток и температуру поверхности стенки.

Согласно закону Ньютона-Рихмана плотность теплового потока между горячей средой и поверхностью стенки:

. (3.9)

По закону Фурье этот же поток передаётся теплопроводностью:

. (3.9)

Этот же тепловой поток согласно закону Ньютона-Рихмана от наружной поверхности стенки отдаётся холодной среде:

. (3.9)

Выражая из этих уравнений разности температур и складывая между собой, мы окончательно получаем выражение для плотности теплового потока q:

, . (3.10)

Обозначим величину

, (3.11)

К – коэффициент теплопередачи через плоскую однослойную однородную стенку. Он представляет собой количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между средами в один градус. Значения коэффициентов теплопередачи для различных видов теплообмена будут даны в таблице в разделе конвективного теплообмена. Коэффициент теплопередачи всегда меньше меньшего α. Для того чтобы увеличить теплопередачу, нужно увеличить меньшее α.

. (3.12)

Тепловой поток

. (3.13)

Величина обратная коэффициенту теплопередачи – полное термическое сопротивление теплопередачи:

, (3.14)

где – термическое сопротивление теплоотдачи со стороны горячей жидкости;

– термическое сопротивление стенки (чем меньше l, тем выше );

– термическое сопротивление теплоотдачи от стенки к холодной среде. .

Полное количество теплоты, передаваемое через стенку за время τ

, Дж.

Коэффициента теплопередачи не является термофизическим коэффициентом, его нет в справочниках. Он рассчитывается по формуле (3.11).

Из (3.9) легко найти температуры горячей и холодной стенок:

, (3.15)

.