Течении жидкости в трубах

Механизм процесса теплоотдачи при течении жидкости в прямых гладких трубах является очень сложным. Интенсивность теплообмена может меняться в широких пределах и большей степени зависит от скорости движения потока.

Изменение температуры жидкости происходит как по сечению, так и по длине трубы. Характер движения в трубах может быть ламинарным и турбулентным. О режиме течения судят по величине числа Рейнольдса:

,

где - средняя скорость жидкости; - внутренний диаметр трубы; - кинематическая вязкость жидкости.

Если , то движение жидкости ламинарное. При течение считается переходным. При устанавливается турбулентное течение. Формирование характера потока происходит в начальном участке трубы. При входе в трубу скорости по сечению распределяются равномерно. В дальнейшем при течении вдоль трубы у стенок образуется гидродинамический пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается и становится равной радиусу трубы, а в трубе устанавливается постоянное распределение скорости, характерное для данного режима течения, или наступает так называемое стабилизованное течение. Последнее наблюдается как при ламинарном, так и турбулентном режимах. Длина участка стабилизации примерно равна .

Теория и опыт показывают, что теплоотдача при течении жидкости в трубе неодинаков по длине и поэтому кроме участка стабилизованного течения образуется участок тепловой стабилизации У входа в трубу коэффициент теплоотдачи имеет максимальное значение, а затем резко убывает и при стабилизованном течении стремится к неизменному значению, рис. 17.1.

Тепловой пограничный слой, который образуется у поверхности трубы, увеличивается по мере удаления от входа и на участке тепловой стабилизации достигает толщины, равной радиусу трубы. Длина стабилизованного участка для круглой горизонтальной трубы зависит от многих причин: теплопроводности, числа , стабилизованного течения и др.

При ламинарном изотермическом течении жидкости скорости по площади сечения потока на расстоянии от оси трубы распределяются по параболе (рис. 17.2, а):

,

- скорость жидкости на оси трубопровода (при ); - радиус трубопровода.

На оси трубопровода скорость имеет максимальное значение, а у стенки трубы скорость равна нулю. Средняя скорость при ламинарном течении .

Рис. 17.1. Формирование участка тепловой стабилизации

и изменение коэффициента теплоотдачи

Рис. 17.2.. Схема распределения скорости по сечению трубы

при ламинарном а) и турбулентном б) течении жидкости

При ламинарном течении жидкости встречаются два режима неизотермического движения: вязкостный и вязкостно-гравитаци-онный. Законы для этих режимов различны.

Вязкостный режим соответствует течению вязких жидкостей при отсутствии естественной конвекции. При этом режиме передача теплоты к стенкам канала (и наоборот) осуществляется только теплопроводностью.

Вязкостно-гравитационный режим имеет место тогда, когда вынужденное течение жидкости сопровождается естественной конвекцией. При этом режиме теплота передается не только теплопроводностью, но и конвекцией.

При вязкостном режиме распределение скоростей по сечению не будет чисто параболическим, так как с изменением температуры по сечению канала изменяется и вязкость. При этом важно отметить, что распределение скоростей зависит от направления теплового потока. При нагревании жидкости ее температура у стенки выше температуры основного потока, а вязкость меньше; при охлаждении процессы протекают в обратном направлении. Следовательно, при нагревании жидкости скорости у стенки больше, чем при охлаждении, и теплоотдача выше.

При вязкостно-гравитационном режиме имеет большое значение направление свободной конвекции и вынужденного движения. Они могут совпадать, могут быть противоположны друг другу и быть взаимно перпендикулярными, что наблюдается в горизонтальных трубах.

При совпадении движений естественной и вынужденной конвекций скорости жидкости у стенки возрастают и теплоотдача увеличивается. При противоположном направлении движений вынужденной и естественной конвекции скорости у стенки уменьшаются и теплоотдача снижается, но иногда встречаются случаи, когда у стенки образуется вихревое движение, что может вызвать увеличение теплоотдачи.

При взаимно перпендикулярном движении естественной и вынужденной конвекций вследствие лучшего перемешивания жидкости теплоотдача увеличивается.

Таким образом, в условиях неизотермического процесса строго ламинарного режима может не быть. Аналитическое исследование теплоотдачи при ламинарном режиме до сих пор не нашло своего окончательного решения, и для определения коэффициента теплоотдачи пользуются эмпирическими формулами.

При вязкостном режиме акад. М.А. Михеев рекомендует определять средний коэффициент теплоотдачи в прямых гладких трубах по формуле

. (17.1)

При имеет место вязкостно-гравитационный режим; параметры выбираются по определяющей температуре , где - температура жидкости на входе в трубу.

Для вязкостно-гравитационного режима довольно точные результаты среднего коэффициента теплоотдачи получаются по формуле:

. (17.2)

Для воздуха эта формула упрощается и принимает вид

. (17.3)

По этим формулам рассчитывается среднее значение числа Нуссельта, а по нему – коэффициент теплоотдачи , где за определяющую температуру принимается средняя температура жидкости; за определяющую скорость – средняя скорость жидкости в трубе; за определяющий размер – диаметр круглой трубы или эквивалентный диаметр трубы произвольной формы. Эти формулы дают среднее значение коэффициента теплоотдачи при . Они применимы для любой жидкости и наиболее полно учитывают влияние естественной конвекции и направление теплового потока. Последнее учитывается введением эмпирического множителя из соотношения чисел жидкости и стенки трубы в степени 0,25.

Для воздуха и двухатомных газов число Прандтля практически не зависит от температуры, а поэтому отношение .

Для труб, имеющих длину , значение из формул (17.1), (17.2) и (11.3) следует умножить на средний поправочный коэффициент :

l/d                   1,9 1,7 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1,0

При турбулентном движении жидкости в связи с более сложным строением потока распределение скоростей описать одним уравнением не удается. Почти все сечение трубы заполнено турбулентным потоком и только у самой стенки образуется ламинарный подслой, представляющий основное термическое сопротивление. При стабилизированном турбулентном потоке распределение скоростей по сечению имеет вид усеченной параболы, рис. 16.2, б. Наиболее резко скорость потока меняется вблизи стенки в пределах пограничного слоя, а в средней течения скорость почти не меняется. Максимальная скорость потока наблюдается на оси трубы. В практических расчетах пользуются средними скоростями

,

где V – объемный расход жидкости, м ³/ с; F - площадь поперечного сечения трубы, м ³.

При турбулентном режиме отношение средней скорости к максимальной является функцией числа Рейнольдса:

.

Отмеченные закономерности турбулентного течения справедливы только при изотермическом режиме.

При турбулентном потоке жидкость весьма интенсивно перемешивается и естественная конвекция практически не влияет на теплоотдачу. Поэтому из совокупности определяющих чисел подобия может быть исключено число Грасгофа. Температура жидкости по сечению ядра практически не изменяется. При нагревании жидкости интенсивность теплоотдачи выше, чем при охлаждении. Эта зависимость также учитывается отношением .

Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном течении , когда М.А. Михеев рекомендует следующие уравнения подобия:

(17.4)

Для воздуха (при ) эта формула упрощается:

. (17.5)

За определяющую температуру принята средняя температура потока, за определяющий размер – диаметр круглой трубы или эквивалентный диаметр трубы произвольной формы. Формулы применимы в пределах:

и .

Для труб, имеющих , коэффициент теплоотдачи выше, поэтому значение из формул (11.4) и (11.5) следует умножать на средний поправочный коэффициент , значения которого приведены ниже в таблице.

l / d при , равном 1×104 2×104 5×104 1×105 1×106   1,65 1,50 1,34 1,23 1,17 1,13 1,07 1,03 1,0 1,51 1,40 1,27 1,18 1,13 1,10 1,05 1,02 1,0 1,34 1,27 1,18 1,13 1,10 1,08 1,04 1,02 1,0 1,28 1,22 1,15 1,10 1,08 1,06 1,03 1,02 1,0 1,14 1,11 1,08 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01 1,0

При турбулентном течении в изогнутых трубах – змеевиках – вследствие центробежного эффекта в поперечном сечении трубы возникает вторичная циркуляция, наличие которой приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи. Расчет теплоотдачи в змеевиках следует вести по уравнениям (17.4) и (17.5) для прямой трубы, но полученное значение коэффициента теплоотдачи необходимо умножить на поправочный коэффициент , где - диаметр спирали (намотки змеевика). В змеевиках действие вторичной циркуляции распространяется на всю длину трубы.

Date: 2015-05-09; view: 1818; Нарушение авторских прав