МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования
«Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова" (СЛИ)
Факультет Лесного и сельского хозяйства
Кафедра «Агроинженерии, электро- и теплоэнергетики»
Дисциплина «Тепломассобмен»
Лабораторная работа № 5
Исследование теплообмена при течении жидкости в трубах
| Выполнил | ___________________ ФИО студента, Факультет, направление, курс Форма обучения |
| Проверил | Казакова Е. Г. |
Сыктывкар 2017
Цель работы: изучение механизма теплоотдачи и установление критериев, определяющих теплообмен жидкости в трубах.
Задачи работы:
1. Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи при течении жидкости в трубах и внешней свободной конвекции
2. Изучение особенностей конвективного теплообмена при поперечном обтекании пучка труб.
Основные сведения
В целом, конвективный перенос тепла, происходящий в движущихся средах, обусловлен совместным действием двух механизмов — собственно конвективным переносом контактирующей с телом среды и теплопроводности. Таким образом, он осуществляется перемещением текучей среды из области с одной температурой в другую температурную область и за счёт теплового движения микрочастиц в неизотермическом пограничном слое жидкости. Для неэлектропроводных сред интенсивность конвективного переноса обычно велика по сравнению с теплопроводностью, последняя при ламинарном течении играет заметную роль лишь для переноса тепла в направлении, поперечном течению среды.
Роль теплопроводности более значительна при движении жидких металлов. В этом случае теплопроводность существенно влияет и на перенос тепла в направлении движения жидкости. При турбулентном течении основную роль в процессе переноса тепла поперек потока играет пульсационное перемещение турбулентных вихрей поперек течения жидкости. Тем не менее, участие теплопроводности в процессах конвективного теплообмена приводит к тому, на эти процессы в целом существенно влияют теплофизические свойства движущейся среды – ее вязкость, теплопроводность, теплоёмкость и плотность.
В связи с тем, что при конвективном теплообмене определяющую роль играет перенос массы, контактирующей с телом жидкости или газа, его интенсивность в значительной мере зависит от характера движения жидкости, то есть от ее скорости, распределения в потоке, режима движения (ламинарное течение или турбулентное). Если движение жидкости обусловлено действием некоторого внешнего побудителя (насоса, вентилятора, компрессора и т.п.), то такое движение называют вынужденным, а происходящий при этом процесс вынужденной конвекцией. Если движение среды вызвано лишь наличием в ней неоднородного поля температуры, то такое движение называют свободным, а процесс обмена теплом свободной или естественной конвекцией. В нашем случае рассматривается передача тепла от вынужденного потока движущейся в трубе нагретой жидкости в покоящейся в целом воздушной среде через наружную оребренную поверхность трубы. На практике встречаются и такие случаи, когда приходится учитывать как вынужденную, так и свободную конвекцию.
В технике теплообмен между двумя движущимися теплоносителями через разделяющую их твёрдую стенку называется теплопередачей. Обычно он включает в себя теплоотдачу три взаимосвязанных процесса:
- отдачу тепла от движущейся горячей жидкости к стенке,
- теплопроводность в стенке,
- теплоотдачу от стенки к более холодной подвижной среде.
Интенсивность теплопередачи характеризуется коэффициентом теплопередачи – К – численно равен количеству теплоты, которое передаётся через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между жидкостями в 1 К; размерность К — Вт/(м2*К). Величина RS, обратная коэффициенту К, называется полным термическим сопротивлением. Например, для однослойной стенки
где a 1 и a 2 – коэффициенты теплоотдачи от горячей жидкости к поверхности стенки и от поверхности стенки к холодной жидкости; d – толщина стенки; λ – коэффициент теплопроводности стенки.
В большинстве встречающихся на практике случаев коэффициент k определяется опытным путём. При этом полученные результаты обрабатываются методами подобия теории.
Для описания конвективной отдачи тепла от нагретой жидкость к стенке и от нее к окружающей среде используется закон Ньютона:
,
где qcт – плотность теплового потока к поверхности, Вт/м2; α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м2∙°С), которые характеризуют интенсивность этих процессов переноса тепла. Они увеличиваются при повышении скорости движения и при переходе от ламинарного режима движения жидкости или газа к турбулентному; t ж, t 0 и t ст – температуры жидкости, окружающего воздуха и трубы соответственно.
Основной проблемой в расчётах процессов конвективной теплоотдачи является определения коэффициента теплоотдачи α.
Современные методы расчета конвективного теплообмена, основаны на теории тонкого пограничного слоя движущейся у поверхности стенки жидкости. Они позволяют получить теоретические решения для наиболее простых ситуаций. В большинстве же встречающихся на практике случаев коэффициенты теплоотдачи определяют путем использования безразмерных критериев подобия, полученных обобщением многочисленных экспериментов[1]:
для турбулентного режима (
)
; (1)
для переходного режима (
)
. (2)
где 
– критерий Нуссельта, в который входит определяемый коэффициент теплоотдачи, 
– критерий Рейнольдса; 
– критерий Прандля.
Критерий Нуссельта
, (3)
где 
– внутренний диаметр трубы, м; 
– коэффициент теплопроводности рабочей жидкости, Вт/м·К.
Критерий Рейнольдса характеризует области ламинарного и турбулентного течений по соотношению сил инерции и внутреннего трения в потоке
, (4)
где 
– характерная скорость движения среды, м/с; 
– коэффициент кинематической вязкости, м²/с.
Значение 
находим по табл. 1
Таблица 1 – Зависимость критерия Рейнольдса
| >10000 | ||||||||||
|
| 3,6 | 4,9 | 7,5 | 12,2 | 16,5 | 
|
Коэффициент Прандтля, определяющее соотношение интенсивностей термодинамических процессов
, (5)
где 
– коэффициент температуропроводности среды.
Таблица 2 – Коэффициент температуропроводности воды
 ,°С
| |||||||||||
 ·103
| 0,13056 | 0,1361 | 0,1416 | 0,1472 | 0,1472 | 0,1555 | 0,1611 | 0,1611 | 0,1638 | 0,1666 | 0,1694 |
Теплоотдача в трубах некруглого поперечного сечения. В настоящее время наиболее хорошо изучена теплоотдача в круглых трубах. Расчет теплоотдачи в трубах некруглого поперечного сечения часто сводят к определению той же величины в некоторой эквивалентной трубе круглого поперечного сечения с диаметром
,
где 
– поперечное живое сечение трубы, м; 
– смоченный периметр поперечного сечения.
Эквивалентный или гидравлический диаметр 
представляет собой, таким образом, учетверенное отношение объема жидкости V, находящейся в трубе, к поверхности F. Для круглых труб 
. Метод расчета теплоотдачи с помощью является приближенным. Точные границы возможности применения этого метода не установлены. Однако, как показывают некоторые экспериментальные исследования, не всегда такой расчет особенно при ламинарном течении жидкости дает удовлетворительные результаты. Тем не менее, вследствие большей неупорядоченности турбулентного движения приближенный расчет коэффициент теплоотдачи в каналах прямоугольного (с отношением сторон a/b = 1÷40) и треугольного сечений и можно производить с помощью эквивалентного диаметра.
Теплоотдача в изогнутых трубах. В технике часто встречаются теплообменные аппараты, в которых один из теплоносителей протекает в изогнутом канале (змеевике). Здесь при движении возникают в жидкости центробежные силы, создающие движение жидкости по винтовой линии (рис. 1).
Рисунок 1.1 – Течение в изогнутом канале
При этом переход к закономерностям турбулентного режима происходит более плавно, чем в прямых трубах. Если Re > Re кр, то расчет теплоотдачи в изогнутых трубах следует вести по тем же формулам, что и для круглых, но полученное значение коэффициента теплоотдачи необходимо умножить на величину 
, которая для змеевиковых труб определяется по уравнению
.
В змеевиках действие центробежного эффекта распространяется на всю длину трубы. В поворотах и отводах труб влияние центробежного действия распространяется дальше. За поворотом теплоотдача должна быть несколько больше, чем до него, и затем уменьшаться до значений, соответствующих теплоотдаче в прямых трубах.
Теплоотдача при поперечном обтекании пучков труб
Теплообменные устройства сравнительно редко выполняются из одной поперечно-омываемой трубы, так как поверхность теплообмена при этом невелика. Обычно трубы собирают в пучок. В технике чаще встречаются два основных типа трубных пучков: шахматный и коридорный (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Схемы расположения труб в коридорных (а) и шахматных (б) пучках труб и характер движения в них жидкости
Основной характеристикой пучка являются поперечный шаг s1 -расстояние между осями труб в направлении, поперечном потоку жидкости и продольный шаг s2 – расстояние между осями соседних двух рядов труб, расположенных один за другим в направлении течения жидкости. Помимо s1 и s2 пучки характеризуются внешним диаметром труб и количеством рядов труб по ходу жидкости (на рис. 1.2 – по 5 рядов).
Течение жидкости в пучке имеет достаточно сложный характер. Рядом стоящие трубы пучка оказывают воздействие на характер обтекания потоком соседних и особенно последующих труб. В результате теплообмен труб пучка отличается от теплоотдачи одиночной трубы. Известны два основных режима течения жидкости: ламинарный и турбулентный. Эти же режимы могут иметь место и при движении жидкости в пучке. Форма течения жидкости в пучке во многом зависит от режима течения в канале перед пучком. Если при данном расходе и температурах течение в канале, где установлен пучок, было бы турбулентным при отсутствии пучка, то оно обязательно будет турбулентным и в пучке, так как сам пучок является турбулизатором, перемешивающим поток. Однако если пучок помещен в канал, в котором до его установки имел бы место ламинарный режим течения, то в этом случае в зависимости от числа Re можно иметь как одну, так и другую формы течения. При этом, чем меньше число Re, тем устойчивее ламинарное течение, чем больше — тем легче перевести его в турбулентное. При этом межтрубные зазоры образуют отдельные каналы переменного сечения.
В технике чаще используются турбулентные режимы форма течения жидкости в пучках. Так, например, поперечно-омываемые трубные поверхности нагрева котельных агрегатов омываются турбулентным потоком. Коэффициент теплоотдачи может изменяться при появлении на поверхностях труб собственного пограничного слоя. Согласно опытам с одиночными трубами турбулентный пограничный слой на стенке появляется при Re > 2×105. Для пучков приближенно можно принять, что Re кp = 1×105. При этом в Re вводят скорость, подсчитанную по самому узкому поперечному сечению пучка и определяющий размер — внешний диаметр труб.
Обтекание первого ряда труб и шахматного и коридорного пучков аналогично обтеканию одиночного цилиндра, а остальных труб сильно зависит от типа пучка. В коридорных пучках все трубы второго и последующих рядов находятся в вихревой зоне впереди стоящих труб. При этом циркуляция движущейся среды в вихревой зоне слабая, так как поток в основном проходит в продольных зазорах между трубами (в «коридорах»). В шахматных пучках характер обтекания глубоко расположенных трубок качественно мало отличается от характера обтекания трубок второго и третьего рядов.
Описанному характеру движения жидкости в пучках из круглых труб соответствует и распределение местных коэффициентов теплоотдачи по окружности труб различных рядов (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Диаграмма изменения коэффициентов теплоотдачи
по рядам коридорного и шахматного пучков труб
На основании многочисленных исследований Н. В. Кузнецова, В. М. Антуфьева можно сделать ряд общих выводов
- теплоотдача первого ряда различна и определяется начальной турбулентностью потока;
- начиная примерно с третьего ряда средняя теплоотдача стабилизируется, так как в глубинных рядах степень турбулентности потока определяется компоновкой пучка, являющегося по существу системой турбулизирующих устройств.
- при невысокой степени турбулентности набегающего потока теплоотдача первого ряда шахматного пучка составляет примерно 60% теплоотдачи третьего и последующих рядов, теплоотдача второго ряда составляет примерно 70%.
- в коридорном пучке теплоотдача первого ряда также составляет примерно 60% теплоотдачи третьего и последующих рядов, а теплоотдача второго 90%.