расположенных трубах увеличивается, и, следовательно, коэффициент теплоотдачи при этом должен уменьшаться.
1.6. ТЕПЛООТДАЧА В ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ
Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей в трубах и каналах. Обычно в теплообменных аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чаще всего в технике формируется поверхность теплопередачи. Поэтому для расчета и рациональной эксплуатации теплообменников очень важно знание основных закономерностей переноса теплоты при движении теплоносителя в трубах.
При ламинарном движении теплоносителя, равномерном распределении скорости и температуры на начальном участке трубы у поверхности стенки
образуются (рис. 2, а) пограничные слои толщиной δr , (гидродинамический) и
δt , (тепловой). Толщина этих слоев по мере удаления от входа увеличивается,
ина некотором расстоянии, называемом длиной участка гидродинамической (lr ) и тепловой (lt ) стабилизации, они смыкаются. При этом коэффициент
теплоотдачи изменяется (рис. 2,б) от максимального значения на входе до практически неизменного после смыкания пограничных слоев. Явление резкого увеличения скорости переноса субстанции (в данном случае - теплоты) при входе потока в аппарат получило название «входной эффект». Очевидно, что для создания условий повышенных значений коэффициентов теплоотдачи целесообразно формировать теплообменники с длиной труб, незначительно
превышающей lt .
Рисунок 2 Формирование полей скоростей w и температур t (a) и изменение коэффициента теплоотдачи а (б) на начальном участке труб при ламинарном движении
теплоносителя
13
Теплоотдача при вынужденном поперечном обтекании труб. Для того чтобы лучше понять зависимость коэффициента теплоотдачи от гидродинамических условий обтекания теплоносителем наружной поверхности труб. При поперечном обтекании трубы на лобовой части ее поверхности образуется ламинарный пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается (рис. 3). При обтекании лобовой части трубы сечение потока уменьшается, скорость жидкости увеличивается, а давление у поверхности падает. В кормовой части трубы давление увеличивается, так как скорость уменьшается; скорость жидкости в пограничном слое также снижается, а начиная с некоторого сечения частицы движутся в обратном направлении, образуя вихри, которые периодически отрываются с поверхности трубы и уносятся потоком. При этом соответственно изменяется значение локального коэффициента теплоотдачи по поверхности (окружности) трубы (рис. 3, в, г). Максимальное значение на лобовой образующей трубы, где толщина пограничного слоя мала. Затем коэффициент теплоотдачи снижается за счет
увеличения δr . Такой режим наблюдается при Re до 2*105. При дальнейшем
увеличении числа Рейнольдса (при Re > 2-105) ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный, и точка отрыва перемещается в кормовую сторону трубы.
Рисунок 3 Схема поперечного обтекания трубы теплоносителем: а-при ламинарном пограничном слое; б -при турбулентном пограничном слое; в -распределение скорости у поверхности трубы; г - изменение локального коэффициента теплоотдачи по поверхности цилиндра (1 Re=70 800; 2 Re=219 000)
Локальный коэффициент теплоотдачи при этом может иметь два минимальных значения (рис. 3,г): одно - в точке перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный, другое - в точке отрыва от поверхности трубы турбулентного пограничного слоя.
Теплоотдача при естественной конвекции. Этот вид теплоотдачи возникает при движении теплоносителя за счет разности плотностей в различных точках его объема: более нагретые макрочастицы среды, имеющие
14