Экспериментальные данные по теплоотдаче при поперечном обтекании одиночной круглой трубы спокойным, нетурбулизированным потоком обобщается формулой:
значение коэффициента С и показателя степени n в зависимости от критерия Reж приведены ниже:
Reж | 1-4×103 | 4×103-4×104 | 4×104-4×105 |
С | 0,55 | 0,2 | 0,027 |
n | 0,5 | 0,62 | 0,8 |
Коэффициент ej учитывает угол между направлением течения потока и осью трубы. Наибольшие значения a (ej=1) наблюдаются при расположении труб перпендикулярно потоку. Если труба наклонена, то значение ej можно взять из графика.
Во многих теплообменниках трубы располагаются в виде шахтных или коридорных пучков. Коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании таких пучков в интервале Reж=103¸105 можно рассчитать по формуле:
Для шахтных пучков С=0,41; n=0,6, для коридорных С=0,26; n=0,65. Определяющим размером является наружный диаметр труб, определяющей температурой – среднее значение между температурами жидкости от пучка и после него. Скорость wж рассчитывается как отношение объемного расхода теплоносителя при к наиболее узкому сечению в пучке, ширина которого меньше ширины канала на значение произведения наружного диаметра труб на их число в одном ряду. Поправочный коэффициент es учитывает влияние поперечного s1 и продольного s2 шагов. Для шахтного пучка es=(s1/s2)1/6 при (s1/s2)<2 и es=1,12 при (s1/s2)³2. Для коридорного пучка es=(s2/d)-0.15.
Течение теплоносителя внутри труб. Обобщение большого числа экспериментальных данных дает следующую зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к текущему в ней теплоносителю на участке стабилизированного течения:
В уравнении, справедливой для наиболее распространенного турбулентного течения при Reж=104¸5×106 и Pr=0,6¸2500, определяющим размером является внутренний диаметр трубы d если это не круглая труба, а канал произвольного сечения, то тоже применима, только определяющим размером будет эквивалентный диаметр канала dэкв=4F/П, где F – площадь поперечного сечения; П – внутренний периметр этого сечения.
Теплоотдача при естественной конвекции. Для расчета коэффициента теплоотдачи в условиях естественной конвекции пользуются зависимостью вида:
Значение коэффициента В и показателя степени n для вертикальной и горизонтальной поверхностей в зависимости от произведения приведены ниже:
I | II | ||
103-109 | >109 | 103-108 | |
B | 0,76 | 0,15 | 0,5 |
n | 1/4 | 1/3 | 1/4 |
Для труб и шаров определяющим линейным размером, входящим в безразмерные числа Nuж и Grж, является диаметр d; для вертикальных труб большого диаметра и пластин – высота Н.
Теплоотдача при конденсации. Пар конденсируется, т.е. переходит в жидкое состояние, на поверхности теплообмена, температура которой ниже температуры насыщения (tс<tн). Различают капельную конденсацию, когда образовавшаяся жидкость (конденсат) не смачивает поверхность и скатывается в виде отдельных капель, например, ртуть на стальной стенке, и пленочную конденсацию, когда конденсат смачивает поверхность и образует сплошную пленку. Пленочная конденсация встречается значительно чаще.
Аналитическое решение для расчета локального коэффициента теплоотдачи при ламинарном течении пленки (Re=w×d/v<400) имеет вид
где r – теплота парообразования.
Из формулы видно, что интенсивность теплоотдачи убывает по мере стекания конденсата из-за возрастания толщины его пленки. Среднее значение коэффициента теплоотдачи от поверхности высотой Н рассчитывается по формуле:
Re=0.95Z0.78et;
где
Теплофизические параметры конденсата в формулы следует подставлять при температуре насыщения tн, а lс и mс при температуре стенки.
Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи. Чтобы не допустить грубой ошибки, нужно четко представлять диапазоны изменения коэффициентов теплоотдачи в различных условиях. Они приведены ниже, Вт/(м2×К)
Свободная конвекция в газах | 5-30 |
Свободная конвекция воды | 102-103 |
Вынужденная конвекция газов | 10-500 |
Вынужденная конвекция воды | 500-2×104 |
Жидкие металлы | 102-3×104 |
Пленочная конденсация водяного пара | 4×103-104 |
Капельная конденсация водяного пара | 4×104-105 |