Основы теплопередачи - Крейт Ф.
Скачать (прямая ссылка):
Смешанная свободная и вынужденная конвекция в горизонтальных круглых трубах
В горизонтальных трубах свободная конвекция приводит к возникновению вторичных течений в любом поперечном сечении, интенсифицирующих конвективный процесс. Поэтому коэффициент теплоотдачи и число Нуссельта при смешанной конвекции выше, чем при чисто вынужденной конвекции. Наиболее интенсивный теплообмен происходит в нижней части трубы. Когда влияние свободной конвекции в ламинарном потоке становится существенным, около стенок возникают большие градиенты температуры и становится существенным изменение температуры в вертикальном направлении. Измерения распределений скоростей в горизонтальном и вертикальном направлениях также указывают на существенное отличие от пуазейлевского течения. В работе [26] проведена классификация режимов свободной, смешанной и вынужденной конвекции для горизонтальных труб при условии постоянства температуры стенки по длине трубы (рис. 5.11). Граница между режимами вынужденной и смешанной конвекции при этом определяется из условия, что вклад в тепловой поток свободной конвекции составляет ~10%. Поэтому с помощью рис. 5.11 можно определить, является ли существенным вклад свободной конвекции.
В работе [27] приведены результаты экспериментального исследования теплоотдачи к воде при ламинарном ее течении в горизонтальной трубе с постоянной температурой стенки в уело виях совместного влияния свободной и вынужденной конвекции. Экспериментальные результаты описываются соотношением
Nu, = 1,75 [Gz + 0,012 (Gz СгЭТ'3 (^)'°'"' (5'50)
Формулы для расчета конвективного теплообмена 249
где
Gz = nD Re Pr/4L.
(5.51)
Все физические свойства в Nud, Gz, Gr^ и \im берутся при среднемассовой температуре жидкости. Соотношение согласуется с экспериментальными данными для воды с точностью ±8% и с большинством опубликованных экспериментальных
W5
104
10*
Re
102
10
-,-,-г
Вынужденная конвекция Турбулентное течение I
- 0,Ш [l +(? f] (Re«»-125)Pr">@)0,M
Хаузен
"Переход ламинарного-течения в турбулентное
_Вынужденная конвекция х - Ламинарное течение
;Nu=l,86Pr'4gf4
Сидер и Тэйт
Смешанная
конвекция о Турбулентное течение 036
Nu=4569Rea27Pr0'21Gr0•07(f), I Метэйс VL/
Смешанная конвекция Ламинарное течение
/Uf \ 014
Nu=l,75 M-J [Gz+0,0083(GrPr)0,75J1/3-Оливер
I Mil і nil і т тії- і і і 11 і і мі і і і її і tn
Свободная конвекция
? Холден V Керн' о Метэйс. а Петухов X Шервуд
10
102
10і
104
105 106 GrPr(M,)
10?
10е
10*
Рис. 5.11. Режимы свободной, вынужденной и смешанной конвекции при течении в горизонтальных трубах Jl О-2 < Pr(d/L) < 1] [26].
данных для воды, этилового спирта и вязких масел с точностью ±50%.
В работе [28] предложено следующее соотношение для расчета теплообмена в условиях смешанной конвекции при течении в горизонтальной круглой трубе с постоянной ПЛОТНОСТЬЮ теплового потока вдоль оси трубы q":
Wuh = {(4,36)2 + [0,145 (Gr^Pr1'35^25)0'265]2}1^ (5.52)
где Gr* = Gr Nu, = -?^-, (5.53)
a Kp = kwaf/kDH — параметр теплопроводности в радиальном направлении. Индекс h указывает на условие постоянства плотности теплового потока вдоль оси трубы и наличие конечной теплопроводности в радиальном направлении. Все физические
250 Глава 5
свойства, используемые в Nua, Gr*, Pr и КР, берутся при определяющей температуре.
Длина теплового начального участка под влиянием свободной конвекции существенно уменьшается. Поэтому в большинстве случаев наложения свободной конвекции течение можно
Ю5 10б
GrPr(D/!,)
Рис 5.12. Режимы свободной, вынужденной и смешанной конвекции при течении в вертикальных трубах [K)-2 < Pr (dlL) < 1] [26].
/ — Браун, постоянный тепловой поток; 2—Эккерт, постоянная температура стенки; 3—Кемени, постоянный тепловой поток; 4—Холмен, переход ламинарного течения в тур* булентное, постоянный тепловой поток; 5—Мартинелли, смешанная конвекция, постоян-ная температура стенки; б—Метэйс, постоянная температура стенки; 7—Петухов, постоянная температура стенки; 8 — Шеде, постоянный тепловой поток; 9— Вотцингер, постоянная температура стенки; 10—Браун, постоянный тепловой поток; // —Метэйс, постоянная температура стенки; 12— Вотцингер, постоянная температура стенки; Хенрэти, постоянный тепловой поток, постоянная температура стенки.
считать полностью развитым, и формулы (5.50) или (5.52) позволяют определить число Нуссельта для любой длины трубы.
При смешанной конвекции получаются также более высокие значения коэффициента трения. С использованием опытных данных для этиленгликоля в работе [28] получена следующая расчетная формула:
-L = [i +(0,195Ra0-15)15]1/15, (5.54)
/из
Формулы для расчета конвективного теплообмена 251
где /из = 16/Re—изотермический коэффициент трения. Как /, так и Ra в этой формуле рассчитываются при физических свойствах жидкости, которые берутся при определяющей температуре.
Влияние наложения свободной конвекции при течении в вертикальной круглой трубе
В отличие от горизонтальных труб влияние наложения свободной конвекции в вертикальных трубах зависит от направления течения и от того, нагревается жидкость или охлаждается. При нагревании жидкости и ее течении вверх или при ее охлаждении и течении вниз свободная конвекция усиливает действие вынужденной конвекции, и результирующий коэффициент теплоотдачи оказывается выше, чем в случае чисто вынужденной конвекции. Однако при охлаждении жидкости и течении вверх или при нагревании жидкости и течении вниз свободная конвекция противодействует вынужденной конвекции, что приводит к более низким значениям коэффициента теплоотдачи. Классификация режимов свободной, вынужденной и смешанной конвекции для вертикальных труб из работы [26] представлена на рис. 5.12. Она позволяет судить о вкладе свободной конвекции. Приведенные на рис. 5.12 результаты справедливы как при условии постоянства плотности теплового потока, так и при условии постоянства температуры стенок.
