Теплоотдача в трубах некруглого сечения

Принято рассчитывать теплоотдачу в некруглых трубах через d:

, (10.1)

где f – живое (проходное) сечение;

u – смоченный периметр.

По данным М.А. Михеева все трубы прямоугольного сечения с отношением сторон , а также трубы треугольного сечения и при продольном омывании пучка труб можно рассчитывать через d.

Для труб, расположенным в трубе, смоченный периметр:

, (10.2)

где l_i – периметр меньшей трубы;

L – периметр большей трубы.

Рис. 10.1. Трубы в трубе

По данным Новикова и Воскресенского этот метод не пригоден для ламинарного течения и течения расплавленных металлов.

Каналы кольцевого поперечного сечения

Формула (2.1.5) из табл. 2:

. (10.3)

Рис. 10.2. Каналы кольцевого сечения:

d₁ – наружный диаметр; d₂ – внутренний диаметр

Теплоотдача в изогнутых трубах

Рис. 10.3. Теплоотдача в изогнутых трубах

При течении в изогнутых трубах возникают центробежные циркулярные токи – вторичная циркуляция – движение жидкости по винтовой линии. С увеличением радиуса влияние центробежных сил уменьшается (при R). Вторичная циркуляция наблюдается при ламинарном и турбулентном режиме.

Для течения в изогнутых трубах критические значения числа Рейнольдса рассчитываются по следующим формулам:

; (10.4)

. (10.5)

Формулы (10.4) и (10.5) справедливы при .

Рис. 10.4. Режимы течения в изогнутых трубах

На рисунке (10-4) изображены границы следующих режимов:

• I – ламинарный режим без циркуляции () – формулы (2.1.1), (2.1.2) из табл. 2;

• ламинарный режим со вторичной циркуляцией () – формула (2.1.3) из табл. 2, но считаем по формулам турбулентного режима, т.к. вторичная циркуляция увеличивает теплообмен, ;

• III – турбулентный режим со вторичной циркуляцией – формула (2.1.3) из таблицы 2 с поправкой .

В змеевиках действие центробежного эффекта распространяется на всю длину трубы. В поворотах и отводах эффект носит местный характер, но влияние распространяется и дальше. В настоящее время данных на сколько «дальше» нет.

Теплоотдача в шероховатых трубах

Рассмотрим турбулентный режим течения. Введём обозначения: δ – высота бугорка шероховатости, δ_п – толщина ламинарного подслоя.

, (10.6)

где – коэффициент гидравлического сопротивления.

При турбулентном режиме возможны два случая:

• ;

• .

В первом случае бугорки не нарушают течение в подслое, они обтекаются без отрыва – нет разницы между шероховатой и гладкой трубой (малые значения Re и относительной шероховатости – ). С уменьшением значений Re толщина ламинарного подслоя увеличивается, понятие относительной шероховатости принимает чисто гидравлический смысл.

Во втором случае бугорки вылезли – течение нарушается, происходит отрывное вихревое обтекание бугорков. Турбулентные пульсации у вершин бугорков возрастают, следовательно, возрастает и α. При ламинарном течении α и λ_гидр не зависят от относительной шероховатости. Однако увеличивается тепловой поток, т.к. возрастает площадь поверхности теплообмена F (эффект оребрения ).

При турбулентном режиме шероховатость сказывается на теплоотдаче: значение α возрастает. Опыты показали, что значение α зависит от формы неровностей, величины относительной шероховатости и расстояния между бугорками. Коэффициент теплоотдачи может возрастать в 3 раза, поэтому шероховатость используют для интенсификации теплоотдачи. Эффект проявляется по-разному: бывает, что шероховатость уменьшает α, когда за бугорками образуется застойная зона.

Целесообразная шероховатость, для которой:

, (10.7)

где S – шаг вдоль течения.

Если :

. (10.8)

При :

. (10.9)

При :

. (10.10)

Формула получена при турбулентном режиме в трубах и кольцевых щелях. Определяющая температура для формулы (10.8) – средняя температура жидкости.