Теплообмен при изменении теплофизических характеристик теплоносителя и его фазового состояния

Теплообмен с телами сложной формы

 I. Трубы некруглой формы.

Теплоотдача при течении среды по трубам некруглой формы может быть рассчитана по формулам для труб круглой формы, введя эквивалентный диаметр. При определении , , Nu и Re в качестве характерного линейного параметра необходимо брать d_э.

Для некруглых труб число Nu на стабилизированном участке
при ламинарном движении среды для тепловых граничных условий первого рода получено: (рис. 1.8).

60° a b	a a Nu = 3,0
b a
b a	Nu = 3,657
b a	b a

Рис. 1.8. Трубы некруглой формы и стабилизированные значения Nu для них при

Т_ст = const

 II. Теплоотдача по змеевику определяется так же, как для трубы
с введением поправочного коэффициента, который больше единицы.
Чем меньше радиус витка R, тем больше этот коэффициент за счет турбулизации потока в местах изгиба.

III. Поперечное обтекание

Цилиндра потоком жидкости.

На лобовой части поверхности цилиндра образуется ламинарный пограничный слой, толщина которого возрастает по мере увеличения угла j (рис. 1.9). С ростом толщины пограничного слоя d_г постепенно уменьшается локальный коэффициент теплоотдачи a(j).

 

w ввввввв0 0

A

j

dг

В

0,5

1,0

1,5

jB         jB

j

 

Рис. 1.9. Зависимость отношения локального коэффициента теплоотдачи a(j)

к среднему a при поперечном обтекании цилиндра

 

В точке В происходит отрыв пограничного слоя, пограничный слой разрушается, образуются вихри, способствующие интенсификации теплообмена.

 

При турбулизации пограничного слоя точка отрыва В достигается при больших значениях угла  j, что ведет к увеличению отношения .

Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании трубы предлагаются следующие формулы

 

            (53)

 

В этих формулах определяющий линейный параметр – внешний диаметр труб.

 

IV.Поперечное обтекание пучка труб.

Трубчатые теплообменники обычно выполняют в виде пучка трубок. Наиболее распространены шахматные и коридорные пучки (рис. 1.10).

 

wx

wx

б

а

 

Рис. 1.10. Поперечное обтекание пучка труб: а) шахматное расположение труб;

б) коридорное расположение труб.

 

Шахматное расположение труб:

 

                                      (54)

 

Коридорное расположение труб:

 

.                                  (55)

 

В этих формулах в качестве характерного линейного параметра используется наружный диаметр трубы d, а скорость жидкости определяют по самому узкому поперечному сечению между трубами. По средней температуре жидкости определяются все физические константы.

 

Теплообмен при изменении теплофизических характеристик теплоносителя и его фазового состояния

Для жидкого однофазного теплоносителя характерно изменение теплофизических характеристик в зависимости от температуры и давления. Как показывает анализ, существенное изменение вязкости зависит от температуры.

Изменение m(T) необходимо учитывать в исходных уравнениях. Если же задача решена без учета m(T), то в конечную формулу в виде критериального уравнения вводят множитель .

Множитель  учитывает изменение свойств теплоносителя по толщине пограничного слоя. При этом, как известно, меняются профили скорости и температуры в пограничном слое. Индекс «ж» указывает на необходимость использования теплофизических характеристик теплоносителя при температуре ядра потока, а индекс «ст» при температуре стенки. Этот множитель используется также и при обработке экспериментальных данных для жидких теплоносителей.

Учет зависимости плотности от температуры необходим при изучении естественной (свободной) конвекции. Естественная конвекция обусловлена разностью плотностей в различных точках объема жидкости, возникающей вследствии разности температур в этих точках. При этом возникает подъемная сила, которая должна быть учтена в правой части уравнения движения. Наличие естественной конвекции учитывается критерием Грасгофа

.                                        (56)

Здесь b – коэффициент объемного расширения; , Т° – температура жидкости в объеме; l – характерный линейный размер.

Критерий Грасгофа характеризует отношение подъемной силы, возникающей в следствии теплового расширения жидкости, к силам вязкости.

Для расчета коэффициента теплоотдачи в условиях естественной конвекции обычно используются зависимости типа

,                     (57)

при  для вертикальной стенки.

Зависимость остальных характеристик (c_p, l) от температуры
и давления незначительна.

Часто в процессе теплообмена нагреваемые или охлаждаемые материалы изменяют агрегатное состояние: испаряются, конденсируются, плавятся или кристаллизуются. Особенности таких процессов теплообмена заключаются в том, что тепло подводится к материалам или отводится от них при постоянной температуре и распространяется не в одной, а в двух фазах.