Основные сведения

Исследование теплообмена при течении жидкости в трубах

Лабораторная работа.

Цель работы: изучение механизма теплоотдачи и установление критериев, определяющих теплообмен жидкости в трубах.

Задачи работы:

1. Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи при течении жидкости в трубах и внешней свободной конвекции

2. Сравнение интенсивности конвективного теплообмена тел при ламинарном и турбулентном движении окружающей среды.

3. Изучение особенностей конвективного теплообмена при поперечном обтекании пучка труб.

В целом, конвективный перенос тепла, происходящий в движущихся средах, обусловлен совместным действием двух механизмов — собственно конвективным переносом контактирующей с телом среды и теплопроводности. Таким образом, он осуществляется перемещением текучей среды из области с одной температурой в другую температурную область и за счёт теплового движения микрочастиц в неизотермическом пограничном слое жидкости. Для неэлектропроводных сред интенсивность конвективного переноса обычно велика по сравнению с теплопроводностью, последняя при ламинарном течении играет заметную роль лишь для переноса тепла в направлении, поперечном течению среды.

Роль теплопроводности более значительна при движении жидких металлов. В этом случае теплопроводность существенно влияет и на перенос тепла в направлении движения жидкости. При турбулентном течении основную роль в процессе переноса тепла поперек потока играет пульсационное перемещение турбулентных вихрей поперек течения жидкости. Тем не менее, участие теплопроводности в процессах конвективного теплообмена приводит к тому, на эти процессы в целом существенно влияют теплофизические свойства движущейся среды – ее вязкость, теплопроводность, теплоёмкость и плотность.

В связи с тем, что при конвективном теплообмене определяющую роль играет перенос массы, контактирующей с телом жидкости или газа, его интенсивность в значительной мере зависит от характера движения жидкости, то есть от ее скорости, распределения в потоке, режима движения (ламинарное течение или турбулентное). Если движение жидкости обусловлено действием некоторого внешнего побудителя (насоса, вентилятора, компрессора и т.п.), то такое движение называют вынужденным, а происходящий при этом процесс вынужденной конвекцией. Если движение среды вызвано лишь наличием в ней неоднородного поля температуры, то такое движение называют свободным, а процесс обмена теплом свободной или естественной конвекцией. В нашем случае рассматривается передача тепла от вынужденного потока движущейся в трубе нагретой жидкости в покоящейся в целом воздушной среде через наружную оребренную поверхность трубы. На практике встречаются и такие случаи, когда приходится учитывать как вынужденную, так и свободную конвекцию.

В технике теплообмен между двумя движущимися теплоносителями через разделяющую их твёрдую стенку называется теплопередачей. Обычно он включает в себя теплоотдачу три взаимосвязанных процесса:

- отдачу тепла от движущейся горячей жидкости к стенке,

- теплопроводность в стенке,

- теплоотдачу от стенки к более холодной подвижной среде.

Интенсивность теплопередачи характеризуется коэффициентом k, численно равным количеству теплоты, которое передаётся через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между жидкостями в 1 К; размерность k — Вт/(м²*К). Величина R_S, обратная коэффициенту k, называется полным термическим сопротивлением. Например, для однослойной стенки

где a₁ и a₂ – коэффициенты теплоотдачи от горячей жидкости к поверхности стенки и от поверхности стенки к холодной жидкости;

d – толщина стенки;

λ – коэффициент ее теплопроводности.

В большинстве встречающихся на практике случаев коэффициент k определяется опытным путём. При этом полученные результаты обрабатываются методами подобия теории.

Для описания конвективной отдачи тепла от нагретой жидкость к стенке и от нее к окружающей среде используется закон Ньютона:

,

где q_cт – плотность теплового потока к поверхности, вт/м²;

α₁ и α₂ – коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м²∙°С), которые характеризуют интенсивность этих процессов переноса тепла. Они увеличиваются при повышении скорости движения и при переходе от ламинарного режима движения жидкости или газа к турбулентному;

T_ж, Т₀ и Т_СТ – температуры жидкости, окружающего воздуха и трубы соответственно.

Основной проблемой в расчётах процессов конвективной теплоотдачи является определения коэффициента теплоотдачи α.

Современные методы расчета конвективного теплообмена, основаны на теории тонкого пограничного слоя движущейся у поверхности стенки жидкости. Они позволяют получить теоретические решения для наиболее простых ситуаций. В большинстве же встречающихся на практике случаев коэффициенты теплоотдачи определяют путем использования безразмерных критериев подобия, полученных обобщением многочисленных экспериментов[1]:

для турбулентного режима ()

; (1)

для переходного режима ()

. (2)

где – критерий Нуссельта, в который входит определяемый коэффициент теплоотдачи,

– критерий Рейнольдса;

– критерий Прандля.

Критерий Нуссельта

, (3)

где – внутренний диаметр трубы, м;

– коэффициент теплопроводности рабочей жидкости, Вт/м·К.

Критерий Рейнольдса характеризует области ламинарного и турбулентного течений по соотношению сил инерции и внутреннего трения в потоке

, (4)

где – характерная скорость движения среды, м/с;

– коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Значение находим по табл. 1

Таблица 1 – Зависимость критерия Рейнольдса

											>10000
	3,6	4,9	7,5		12,2	16,5

Коэффициент Прандтля, определяющее соотношение интенсивностей термодинамических процессов

, (5)

где – коэффициент температуропроводности среды.

Таблица 2 – Коэффициент температуропроводности воды

,°С
·10^3	0,13056	0,1361	0,1416	0,1472	0,1472	0,1555	0,1611	0,1611	0,1638	0,1666	0,1694

Теплоотдача в трубах некруглого поперечного сечения. В настоящее время наиболее хорошо изучена теплоотдача в круглых трубах. Расчет теплоотдачи в трубах некруглого поперечного сечения часто сводят к определению той же величины в некоторой эквивалентной трубе круглого поперечного сечения с диаметром

,

где – поперечное живое сечение трубы, м;

– смоченный периметр поперечного сечения.

Эквивалентный или гидравлический диаметр представляет собой, таким образом, учетверенное отношение объема жидкости V, находящейся в трубе, к поверхности F. Для круглых труб . Метод расчета теплоотдачи с помощью является приближенным. Точные границы возможности применения этого метода не установлены. Однако, как показывают некоторые экспериментальные исследования, не всегда такой расчет особенно при ламинарном течении жидкости дает удовлетворительные результаты. Тем не менее, вследствие большей неупорядоченности турбулентного движения приближенный расчет коэффициент теплоотдачи в каналах прямоугольного (с отношением сторон a/b = 1÷40) и треугольного сечений и можно производить с помощью эквивалентного диаметра.

Теплоотдача в изогнутых трубах. В технике часто встречаются теплообменные аппараты, в которых один из теплоносителей протекает в изогнутом канале (змеевике). Здесь при движении возникают в жидкости центробежные силы, создающие движение жидкости по винтовой линии (рис. 1).

Рисунок 1 – Течение в изогнутом канале

При этом переход к закономерностям турбулентного режима происходит более плавно, чем в прямых трубах. Если Re>Re _kp, то расчет теплоотдачи в изогнутых трубах следует вести по тем же формулам, что и для круглых, но полученное значение коэффициента теплоотдачи необходимо умножить на величину , которая для змеевиковых труб определяется по уравнению

.

В змеевиках действие центробежного эффекта распространяется на всю длину трубы. В поворотах и отводах труб влияние центробежного действия распространяется дальше. За поворотом теплоотдача должна быть несколько больше, чем до него, и затем уменьшаться до значений, соответствующих теплоотдаче в прямых трубах.

Дата добавления: 2015-06-27