15. Асаблівасціруху і цеплаабмену ў трубах.

16. Цеплааддача пры ламінарным рэжыме руху вадкасці ў трубах.

17. Цеплааддача пры турбулентны рэжыме руху вадкасці ў трубах.

18. Пераходны (перамежкавы) рэжым цячэння вадкасці ў трубах. Разлік цеплааддачы.

Существуют два различных вида движения жидкости: во-первых, слоистое, упорядочное или ламинарное движение, при котором отдельные слои жидкости скользят друг относительно друга, не смешиваясь между собой, и, во-вторых, неупорядоченное, так называемое турбулентное движение, когда частицы жидкости движутся по сложным, все время изменяющимся траекториям и в жидкости происходит интенсивное перемешивание частиц и слоев.

Иногда выделяют третий режим движения жидкостей - переходный, при котором упорядоченное движение частиц очень неустойчиво, и при малейшем изменении условий перемещения потока может произойти переход от ламинарного режима к турбулентному, и наоборот.

При достижении критического значения числа Рейнольдса ламинарное движение жидкости переходит в турбулентное.

19. Цеплааддача пры вымушаным руху вадкасці ў трубах і каналах някруглага сячэння. Эквівалентны дыяметр.

Гидродинамические условия процесса. При движении сред внутри каналов гидродинамический характер процессов существенно отличается от процессов обтекания тел внешним потоком, поэтому гидродинамические задачи наружного обтекания тел называют внешними, а задачи движения сред внутри каналов — внутренними. Основное отличие внутренних задач от внешних состоит в том, что в условиях ограничения потока стенками канала пограничный слой не может свободно развиваться по всей длине канала. Допустим, что жидкость поступает в трубу по- стоянного сечения с одинаковой по сечению скоростью w. Для несжимаемой жидкости это значение скорости будет являться ее средним значением в любом сечении, поскольку расход жидкости через трубу с непроницаемыми стенками

Однако вследствие эффекта прилипания жидкости к стенкам сразу же за входным сечением начнется перераспределение локальных значений скорости по сечению . Это связано с тем, что на начальном участке трубы у стенок будет возникать пограничный слой подобно тому, как это наблюдалось при обтекании пластины, но по мере увеличения толщины пограничного слоя зона «невозмущенного» потока сужается и совсем исчезает в точке, где толщина пограничного слоя достигает значения радиуса трубы: в этой точке смыкаются пограничные слои, нарастающие на противоположных стенках сечения трубы. Расстояние от входа в канал до сечения, в котором происходит смыкание динамических пограничных слоев, называется участком гидродинамической стабилизации. Возможны три варианта стабилизации.

1. Толщина пограничного слоя достигает значения радиуса трубы на участке ламинарного пограничного слоя , т. е. при этом , где xкр1 - расстояние по длине обтекаемого тела соответствующее началу перестройки ламинарного пограничного слоя в турбулентный. В этом случае в трубе по всей длине за участком стабилизации устанавливается ламинарный режим движения

2. Толщина пограничного слоя становится равной радиусу трубы после того, как пройдет перестройка ламинарного пограничного слоя в турбулентный, при этом , где xкр2 -Расстояние по длине обтекаемого тела, соответствующее концу перестройки ламинарного слоя в турбулентный. В этом случае по всей длине трубы за участком стабилизации устанавливается турбулентный режим движения, однако (так же, как это характерно для турбулентного пограничного слоя при внешнем обтекании) у самой стенки трубы сохраняется вязкий ламинарный подслой.

3. Если толщина пограничного слоя становится равной радиусу трубы на участке перестройки пограничного слоя, т. е. если , то в трубе устанавливается переходный режим движения. Таким образом, режим стабилизированного движения данной жидкости при заданном значении w будет определяться только величиной диаметра трубы: в трубах малого диаметра устанавливается ламинарный режим, в трубах большого диаметра турбулентный. Поэтому наиболее важным, характерным размером, от которого зависит характер движения внутри каналов, является их поперечный размер, для труб это диаметр d. Обобщенной характеристикой, определяющей режим в трубах для любых жидкостей при любых скоростях движения, является критерий Рейнольдса Re=wd/v, при Re=2300 — ламинарный режим: при Re> 10000 — турбулентный режим; при 2300<Re< 10000 — переходный режим. Длина участка гидродинамической стабилизации при ламинарном режиме определяется соотношением

При турбулентном режиме длина участка стабилизации слабо зависит от Re и приближенно равна

20. Цеплааддача пры вымушаным руху вадкасці ў сагнутых трубах і змеевіках.

При движении жидкости в изогнутых трубах (лабиринтных каналах, коленах, змеевиках и т.д.) неизбежно возникает центробежный эффект. Поток жидкости отжимается к внешней стенке, и в поперечном сечении возникает так называемая вторичная циркуляция. С увеличением радиуса кривизны R влияние центробежного эффекта уменьшается. (прямая труба) оно совсем исчезает. Вследствие возрастания скорости и вторичной циркуляции и как следствие этого увеличения турбулентности потока значение среднего коэффициента теплоотдачи в изогнутых трубах выше, чем в прямых. Расчет теплоотдачи в изогнутых трубах производится по формулам для прямой трубы с последующим введением в качестве сомножителя поправочного коэффициента   , который для змеевиковых труб определяется соотношением

 

где R — радиус змеевика (либо изгиба трубы); d — диаметр трубы.

В змеевиках действие центробежного эффекта на интенсификацию теплоотдачи распространяется на всю длину трубы. В поворотах же и отводах центробежное действие имеет лишь местный характер, но его влияние распространяется и дальше. За счет увеличения турбулентности потока в последующем за поворотом прямом участке трубы теплоотдача всегда несколько выше, чем в прямом участке до поворота.

21. Асаблівасці руху і цеплааддача пры папярэчным абцяканні адзіночнага цыліндра.

Безотрывное обтекание цилиндра набегающим потоком среды наблюдается только при Re <= 5. При больших значениях Re пограничный слой, который образуется по обе стороны от лобовой точки (о), постепенно утолщается вплоть до точки отрыва (а). В этой точке пограничный слой оттесняется от поверхности образующимися в кормовой части вихревыми течениями. Средняя толщина и положение точки отрыва зависят от Re.

Максимальное значение коэф. теплоотдачи имеет в лобовой точке, т.к. толщина пограничного слоя минимальна. Миним. Значение – в точке отрыва. В кормовой части коэф. теплоотдачи опять возрастает, причём тем больше, чем больше значение Re. При Re> 200 000 пограничный слой успевает до отрыва перейти в турбулентный, при этом точка отрыва перемещается в сторону больших значений.

Средняя по периметру трубы теплоотдачи описывается уравнениями подобия:

22. АсаблівасцІ руху і цеплааддача пры папярэчным абцяканні пучкоў труб.

Многие теплообменные аппараты представляют собой пучки поперечно омываемых труб. При этом различают два основных типа пучков труб: коридорный (а) и шахматный (б).

В трубных пучках трубы первого ряда находятся приблизительно в тех же условиях, что и одиночный цилиндр. На теплообмене второго и последующих рядов сказывается турбулизация потока, создаваемая первыми рядами, но эффект добавочной турбулизации постепенно ослабевает по мере увеличения числа предшествующих поперечных рядов. Экспериментально установлено, что, начиная с третьего ряда, поток практически стабилизирован, поэтому и средний коэффициент теплоотдачи для всех последующих рядов можно считать постоянной величиной.

Коэффициент теплоотдачи α первого ряда равен примерно 60% от α на стабилизированном участке, как для коридорного, так и для шахматного пучков. Для 2 ряда в коридорном пучке α₂=0.9 * α₃ , а при шахматном α₂=0.7 * α₃

На интенсивность теплообмена пучков влияет также плотность пучка, которую можно характеризовать соотношением между поперечным шагом, продольным шагом и диамером труб. Для расчета теплоотдачи в пучках труб предложена следующая формула:

23. Характар і рэжымы руху пры свабоднай канвекцыі ў неабмежаваным аб’ёме.

 В развитии свободного движения форма тела играет второстепенную роль. Здесь большее значение имеют протяженность поверхности, вдоль которой происходит движение, и ее положение.

Возле поверхности нагретого тела в гравитационном поле слои жидкости, прилегающие к телу, нагреваются становятся легче и начинают подниматься, возникают конвективные токи. Если объем в котором расположено рассматриваемое тело достаточно велик, то конвективные токи возле рассматриваемой не взаимодействуют с конвективными токами, возникающими возле других нагретых или холодных поверхностей в данном объем, т.е. изучаемый процесс теплоотдачи может рассматриваться изолировано. Такой случай теплообмена называют свободной конвекцией в неограниченном пространстве. Например: теплоотдача от радиатора водяного отопления к воздуху в комнате, или от холодильника к охлаждающей батарее.

24. Цеплааддача пры свабодным руху вадкасці каля вертыкальнай паверхні.

При нагреве начинается движение у нижней кромки поверхности. Этот слой можно назвать пограничным при свободной конвекции. В отличие от пограничного слоя вынужденной конвекции в нем наблюдается своеобразное распределение скоростей: сначала возрастает до макс значения, а затем падает до минимального. В нижней части вертикальной поверхности движение жидкости ламинарно, а толщина слоя возрастает по высоте. На определенной высоте характер движения изменяется, появляются завихрения, уменьшается толщина пограничного слоя. Наконец при достаточной высоте движение может перейти в турбулентный режим. При это в близости от стенки сохраняется ламинарный подслой. Характер движения и толщина слоя сказываются на величине коэф теплоотдачи

Из действующих сил учитывают только подъёмную силу и силу вязкости, пренебрегая силой инерции. Интенсивность теплообмена определяется толк одним критерием Релея (Ra). а) при  (ламинарный режим)

25. Цеплааддача пры свабодным руху вадкасці каля гарызантальных труб.

Отклонение поверхности теплообмена от вертикали может быть учтено введением в формулу поправочного коэффициента , где ф – угол между нижней теплоотдающей поверхностью и вертикалью. При ф =0 – пластина вертикальна, при ф = 90 – горизонтальна. Теплоотдача пластины, обращенной теплоотдающей поверхностью вниз, ухудшается, так как при это затруднен отвод нагреваемой жидкости за пределы поверхности.

Теплоотдача от горизонтальной пластины, обращённой греющей поверхностью вверх, при ламинарном режиме несколько меньше, а при турбулентном – практически такая же, как от вертикальной пластины.

Уменьшение теплоотдачи при ламинарном режиме объясняется существованием у краев пластины восходящих токов нагретой жидкости, которые изолируют центральные части пластины и затрудняют поступление к ней свежий порций жидкости

В переходном режиме от пленочного к ламинарному для горизонтальных труб коэф теплоотдачи приближенно можно вычислить по формуле

26. Цеплаабмен пры свабодным руху вадкасці ў абмежаваным аб’ёме.

Этот вид теплообмена так же называют передачей теплоты через жидкостные прослойки. Наиболее характерным примером является передача теплоты через воздушную прослойку между стеклами двойных оконных рам.

Если расстояние между стенками в ограниченном пространстве достаточно велико и восходящий и нисходящий потоки не взаимодействуют, а между ними существует зона неподвижной среды, то этот случай (рис 6.14а) обладает свободной конвекцией в ограниченном пространстве.

При уменьшении расстояния (дельта)ограниченного пространства восходящий и нисходящий потоки начинают взаимодействовать друг с другом, затормаживаться внутри прослойки образуется ряд замкнутых циркуляционных контуров (рис. 6.14, б).. Раздельное определение коэф теплоотдачи становится невозможным.

В предельном случае при некотором малом расстоянии меду нагретой и холодной поверхностями восходящий и нисходящий токи полностью затормаживают друг друга, среда в прослойке оказывается неподвижной. Тепловой поток можно рассчитать по формуле: .

где лямда — коэффициент теплопроводности среды; 6 — толщина прослойки; tcl и tc2 — температуры нагретой и холодной поверхностей

. На практике принято заменить действительный сложный перенос теплоты через жидкости и газы эквивалентным процессом теплопроводности, вводить в формулу вместо действительного коэф теплопроводности – эквивалентный коэф теплопроводности: .

Опытом установлено, что при Ra<10³ коэф конвекции ε=1, следовательно λэкв= λ, теплота передается через прослойку только теплопроводностью. Эти формулы применимы так же и для горизонтальных плоскостей.