Теплообмен при естественной конвекции

/[ля расчета коэффициента теплоотдачи в условиях естествен­ной конвекции

в большом объеме теплоносителя обычно поль­зуются критериальной зависимостью вида

Значения коэффициента С и показателя степени n в зависимости от произведения (Gr • Рг) приведены в табл. 2.3.

В качестве определяющей температуры принята средняя температура пограничного слоя

где t - температура стенки, °С; - температура жидкости (среды) на большом удалении от нагретого тела, °С .

Но формуле (2.68) можно рассчитать теплоотдачу от по­верхностей практически любой формы: вертикальных и гори­зонтальных труб, шаров, вертикальных пластин (для горизон­тальных труб и шаров определяющим линейным размером, входящим в критерии Nu и Gr, являются диаметр d, для вертикальных труб и пластин - высота h). Более того, если значения коэффициента С увеличить на

30 % по сравнению с приведенными в табл. 2.3, то формулой можно пользоваться и для расчета коэффициента теплоотдачи а горизонтальной плиты, обращенной греющей стороной вверх. Если греющая сторона обращена вниз, то значение С следует уменьшить на 30 %. В обоих случаях определяющим является наименьший размер плиты в плане.

Довольно часто приходится рассчитывать теплообмен естественной конвекции в узких глухих каналах. Как пока­зывает эксперимент, большинство случаев теплопереноса в таких условиях (неавтомодельных, например, в вертикальных, горизонтальных, кольцевых щелях) можно приближенно объе­динить общей расчетной методикой. Среднюю плотность теп­лового потока q между поверхностями, разделенными про­слойкой газа или жидкости толщиной , можно рассчитать, как в случае переноса теплоты теплопроводностью через плос­кую стенку:

где - большая и меньшая температура ограждающих поверхностей; λ эквивалентный коэффициент теплопро­водности, учитывающий и конвективный перенос теплоты.

При (Gr • Рг) < 10 естественную конвекцию можно вообще не учитывать, считая . При (Gr ∙ Рг) > 10 значение λ становится заметно больше, чем и рассчитывается по формуле λ = • . Значение поправки на конвекцию опре­деляется зависимостью

Определяющий размер при расчете Gr - толщина про­слойки , а определяющая температура - средняя между поверхностями.

2.2.5. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ДВИЖЕНИИ
ЖИДКОСТИ В ТРУБАХ И КАНАЛАХ

Интенсивность теплообмена в прямых гладких трубах зависит от режима течения потока, определяемого величиной Re =ωd/ν. Если Re , то режим течения ламинарный. При движении жидкости в трубах = 2 • 10 Развитый турбулентный режим течения устанавливается при значениях Re > 10 ;

Re = 2 • 10 1∙10 соответствует переходному режиму. При ламинарном движении происходит значительное изменение температуры по сечению трубы и соответственно изменение плотности текущей жидкости. Вследствие этого на вынужденное движение теплоносителя накладывается свобод­ное движение. Интенсивность свободного движения характе­ризуется числом Грасгофа. Средний по длине трубы коэффи­циент теплоотдачи при вынужденном ламинарном движении жидкости в трубе, учитывающий влияние свободной конвек­ции, определяется исходя из критерия Nu:

Уравнение (2.81), используемое для оценки теплоотдачи в трубах и каналах при Re < 2000 и вязкостно-гравитационном режиме течения, предложено академиком М.А. Михеевым. Это уравнение определяет среднюю теплоотдачу в трубках и кана­лах различного поперечного сечения. За определяющий раз­мер здесь принят диаметр трубы или эквивалентный диаметр канала

где Р - периметр канала; F - площадь его поперечного сечения.

Кроффициент в формуле зависит от отношения l/d, где l - длина трубы. При l/d > 50 = 1. Значение для коротких труб выбирается в зависимости от l/d.

При турбулентном режиме жидкость в потоке весьма интенсивно перемешивается, и естественная конвекция прак­тически не оказывает влияния на интенсивность теплообмена. Для определения среднего по длине трубы коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном движении (Re 10 )

академик М.А. Михеев рекомендовал следующие уравнения подобия:

В уравнение не входит критерий Грасгофа, так как свободное движение не оказывает влияния на теплоотдачу. Уравнение справедливо для различной формы поперечного сечения канала, в том числе для кольцевого (d /d = 1 5,6) и щелевого (a/b = 1 40).

За определяющую температуру в уравнениях принята средняя температура потока жидкости, за определяющий геометрический размер - диаметр трубы или эквивалентный диаметр канала любой формы.

Для воздуха формула упрощается:

При переходном режиме течения теплоотдача не может быть описана единым уравнением подобия, так как при этих условиях характер движения и теплообмена зависит от многих факторов, трудно поддающихся количественной оценке. При

Re = idem соотношение между возможными максимальными коэффициентами теплоотдачи составляет 20 100. Поэтому для этой области режимов теплообмена можно определить только наиболее вероятные значения коэффициентов тепло­отдачи по уравнению

Значение выбирается в зависимости от значения критерия Re.