Теплоотдача при естественной конвекции

Течение теплоносителя внутри труб

Частные случаи конвективного теплообмена

Обобщение большого числа экспериментальных данных позволяет использовать следующую зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к движущемуся в ней теплоносителю на участке стабилизированного течения:

Nu = c Re ⁿ Pr_ж ^m (Pr_ж / Pr_c) ^0,25

Константы c,n,m принимаются из таблицы 2.1 с учетом режима движения теплоносителя. Для круглых труб определяющий размер — внутренний диаметр, если канал произвольного сечения, то определяющим размером будет эквивалентный диаметр канала d_экв= 4F/П,

где F – площадь поперечного сечения, м²;

П – внутренний периметр этого сечения, м.

Таблица 2.1

Условия теплоотдачи	c	n	m	Определяющий размер
Теплоотдача в гладких трубах (при l/d ³ 50): Re < 2300 2300 < Re < 10^4 Re >10^4	0,15 0,008 0,021	0,33 0,9 0,8	0,33 0,43 0,43	Внутренний или эквивалентный диаметр трубы

Физические свойства среды:,, Pr_ж выбираются по средней температуре теплоносителя t_ж из соответствующей таблицы, а Pr_с — по температуре стенки t_с из этой же таблицы.

Для расчета коэффициента теплоотдачи в условиях естественной конвекции в неограниченное пространство пользуются уравнением:

Nu = c (GrPr) ⁿ (Pr_ж /Pr_c) ^0,25,

где постоянные c и n зависят от величины (GrPr), условий обтекания среды и выбираются из таблицы 2.2.

Таблица 2.2

Условия теплоотдачи	c	n	Определяющий размер
Вертикальные пластина или труба: Gr×Pr = 10^3…10^9 Gr×Pr > 10^9	0,8 0,15	0,25 0,33	высота пластины, длина трубы
Горизонтальная труба 10^–3 £ Gr×Pr £ 10^3 10^3 £ Gr×Pr £ 10^9	1,18 0,5	0,125 0,25	диаметр трубы
Горизонтальная пластина: - охлаждение сверху - охлаждение снизу	0,54 0,27	0,25 0,25	короткая сторона пластины

Для газообразной среды (Pr_ж / Pr_c) ^0,25 ≈1.

Все параметры теплоносителя, входящие в критерии подобия, выбирают из справочных таблиц по определяющей температуре t_опр = 0,5(t_ж + t_c).

По-другому выполняется расчет процесса теплоотдачи в условиях естественной конвекции при движении среды в ограниченном пространстве – в узких щелях. Движения среды в щели определяет ее форма (вертикальная, горизонтальная или кольцевая щель), а также направление распространения теплоты.

Независимо от формы щели среднюю плотность теплового потока q между поверхностями, разделенными прослойкой газа или жидкости толщиной, можно рассчитать по формуле теплопроводности через плоскую стенку

,

где — большая и меньшая температуры на поверхностях, образующих щель,;

— эквивалентный коэффициент теплопроводности, учитывающий и конвективный перенос теплоты, Вт/м·К.

При (GrPr) 10³ естественную конвекцию можно не учитывать, считая =;

при (GrPr) 10³ с учетом влияния конвекции рассчитывается по формуле =.

Поправка на влияние конвекции определяется зависимостью:

= 0,18 (Gr·Pr)^0,25.

Определяющий размер при расчете числа Gr — толщина прослойки, определяющая температура — средняя между поверхностями:

t_опр = 0,5().

Поперечное обтекание одиночной трубы и пучка труб

Экспериментальные данные по теплоотдаче при поперечном обтекании одиночной круглой трубы спокойным, нетурбулизированным потоком обобщается формулой:

(0,43 + C,

значение коэффициента с и показателя степени n в зависимости от критерия Re_ж приведены в таблице 2.3

Таблица 2.3

Reж	1÷ 4×10^3	4×10^3÷ 4×10^4	4×10^4÷ 4×10^5
С	0,55	0,2	0,027
n	0,5	0,62	0,8

Коэффициент e_j учитывает угол между направлением течения потока и осью трубы. Наибольшие значения a (e_j = 1) наблюдаются при расположении труб перпендикулярно потоку. Если труба наклонена, то вводится поправочный коэффициент e_j.

Во многих теплообменниках трубы располагаются в виде шахматных или коридорных пучков. Коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании таких пучков в интервале Re_ж = 10³…10⁵ можно рассчитать по формуле:

(Pr_ж / Pr_c) ^0,25

Для шахматных пучков с = 0,41; n = 0,6; для коридорных с = 0,26; n = 0,65. Определяющим размером является наружный диаметр труб, определяющей температурой – среднее значение между температурами жидкости до пучка и после него. Поправочный коэффициент учитывает влияние поперечного s₁ и продольного s₂ шагов.

Для шахматного пучка = (s₁/s₂)^1/6 при (s₁/s₂) < 2 и = 1,12 при (s₁/s₂) ³ 2. Для коридорного пучка = (s₂/d)^-0.15.

Дата добавления: 2014-01-20