Движении теплоносителя внутри канала

В теории конвективного теплообмена в каналах турбулентным считается режим движения при числе Рейнольдса более  10⁴,  а ламинарным - меньше 2 ´ 10³. В интервале  2 ´ 10³ < Re > 10⁴  - зона переходных течений.

61ЛАМИНАРНОЕ ТЕЧЕНИЕ

При ламинарном течении любой жидкости для определения среднего коэффициента теплоотдачи используется следующая расчетная формула:

Nu = 0,15 × × Gr .

В этом случае теплоотдача зависит от интенсивности свободной конвекции, которая определяется критерием Грасгофа Gr_ж.

Значение поправочного коэффициента e  зависит от отношения длины канала к его диаметру,    и определяется с помощью таблиц. Независимо от числа Рейнольдса при   поправочный коэффициент равен единице. Например, при , .

За определяющую температуру принята средняя температура потока, за определяющую скорость - средняя скорость потока, за определяющий размер - эквивалентный диаметр канала  (d = 4 × F / П).  

62.ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ

При турбулентном режиме движения перенос тепла внутри жидкости осуществляется в основном путем перемешивания. При этом процесс перемешивания протекает настолько интенсивно, что по сечению ядра потока температура жидкости практически постоянна. Резкое изменение температуры наблюдается лишь внутри тонкого слоя у поверхности.

Первым наиболее подробным и правильно поставленным исследованием при турбулентном режиме движения были работы выполненные Нуссельтом. При обработке опытных данных он впервые применил теорию подобия и получил обобщенную зависимость.

При развитом турбулентном режиме Re > 10⁴ расчетная формула для среднего коэффициента теплоотдачи имеет следующий вид:

Nu _ж = 0,021 × Re × Pr × (Pr _ж / Pr _с)^0,25 ×

За определяющую температуру здесь также принята средняя температура потока, за определяющий размер - эквивалентный диаметр.

Здесь  = f( / d; Re). Например, при  Re = 10⁴; / d = 1 -

 = 1,65. При Re = 5 ´ 10⁴,  = 1,34.

Формула применима к каналам любой формы: круглого, квадратного, прямоугольного (а / b = 1 ¸ 40), кольцевого (d₂ / d₁ = 1 ¸ 5,6) и др. и для упругих и капельных жидкостей при  Re = 10⁴ ¸ 5 ´ 10⁶  и  

Pr = 0,6 ¸ 2500.

Для воздуха (или двухатомных газов) соотношения упрощаются

Nu = 0,018 × Re^0,8 × ,

т.к. Pr» 0,73, а Pr_ж / Pr_с » 1.

Все выше перечисленные формулы не учитывают местных сопротивлений, шероховатости каналов и условий входа потока в канал.

Влияние шероховатости на теплообмен усиливается с увеличением величины критерия Re.

В изогнутых трубах, значение коэффициента теплоотдачи выше, чем в прямых, вследствие дополнительной турбулизации потока, вызываемой центробежными силами.

При расчете теплоотдачи змеевиковых труб при Re > Re_кр,

Re_кр = 2300 + 10500 × (d / R)^0,3

где R - радиус закругления,

используется формула для прямых труб с введением поправочного коэффициента e _к на кривизну трубы.

e _к = 1 + 1, 77 × d / R.

 Для жидких металлов коэффициент температуропроводности значительно превышает коэффициент кинематической вязкости (Pr << 1)  . В этом случае толщина теплового пограничного слоя значительно больше толщины гидродинамического слоя. Вследствие этого процесс молекулярного переноса тепла теплопроводностью имеет большое значение не только в пограничном слое, но и в ядре турбулентного потока.

Расчет средней теплоотдачи в жидких металлах можно проводить по формуле:

Nu_ж = 4,5 + 0,014 × Re .

Формула работает в диапазоне 300 < Re < 1500 для круглых прямых труб. Теплофизические свойства металла выбираются по его среднеарифметической температуре.

Если отношение (ℓ / d) < 3,0, то вычисленное значение коэффициента теплоотдачи умножается на поправочный коэффициент ε_ℓ, величина которого определяется по формуле

.