2.5.Конвективный теплообмен при вынужденном движении теплоносителя
2.5.1. Факторы, влияющие на конвективный теплообмен при вынужденном движении теплоносителя
Вынужденным называется такое движение потока, которое вызывается внешними причинами, например, работой вентилятора, насоса или дымовой трубы.
Характер движения потоков в зависимости от теплофизических свойств потока, размеров и формы твердых границ канала может быть ламинарным и турбулентным.
Помимо режима движения на этот вид теплообмена оказывают влияние условия входа потока в канал. При входе потока из неограниченного пространства в трубу на стенках последней будет возникать сила трения. По мере движения потока вдоль трубы вследствие тормозящего действия стенок увеличивается толщина гидродинамического пограничного слоя, что приводит к непрерывному изменению скоростей в поперечных сечениях трубопроводов. Изменение толщины гидродинамического пограничного слоя приводит к изменению толщины теплового пограничного слоя.
Сильное
изменение полей скоростей и температур
наблюдается на определенной длине
трубопровода, которая называется
участком стаби-лизации
.
Длина последнего зависит от режима
движения и физических свойств потока,
например, коэффициентов теплопроводности
и вязкости, а также от размеров и формы
трубы. Для ламинарных режимов величина
начального участка гидродинамической
стабилизации
=0,05
а для турбулентных
=15
,
где
- диаметр канала. На рис. 2.7 показан
характер стабилизации поля скоростей
при движении жидкости в канале круглого
сечения. По длине участка стабилизации
происходит уменьшение коэффициента
теплоотдачи от максимального значения
до некоторой вполне определенной
величины. Увеличение толщины вязкого
подслоя
от некоторого небольшого значения до
величины, равной радиусу трубы, является
причиной уменьшения коэффициента
теплоотдачи. На основании соотношения
можно легко сделать вывод о том, что
величина коэффициента теплоотдачи на
участке стабилизации будет меньше, чем
в месте входа потока в трубопровод.
Рис.2.7 Стабилизация распределения скоростей при движении жидкости в
трубе
На теплоотдачу может оказывать влияние и свободная конвекция. Величина этого влияния определяется градиентом температуры по сечению потока и значением критерия Рейнольдса. Наличие градиента температуры по сечению потока приводит к изменению распределения скоростей в сече-нии неизотермического потока вследствие изменения физических свойств теплоносителя (например, вязкости для капельных жидкостей). На рис. 2.8 представлено распределение скоростей в вертикальных изотермическом и неизотермическом потоках.
Рис.2.8 Распределение скоростей по сечению: 1 – при изотермическом
движении; 2 – при охлаждении; 3 - при нагревании капельных
жидкостей
Из рисунка видно, что изменением направления теплового потока очень сильно меняется профиль поля скоростей неизотермического потока по сравнению с потоком изотермическим. На рис. 2.9 показана схема потоков в горизонтальных трубах под действием подъемных сил. В зависимости от направления теплового потока (от стенки или к стенке канала) меняется характер циркуляции. Под влиянием свободного движения частицы потока движутся по сложным винтовым траекториям.
Рис.2.9 Циркуляция потоков в горизонтальных трубах под действием
подъемных сил:
а – при нагревании стенок; б - при охлаждении стенок