Основы теории теплообмена (стр. 4 )

. (19)

 

Теплообмен при поперечном обтекании труб

а) Одиночная труба. При поперечном обтекании цилиндрической трубы (рис. 7) теплоотдача определяется характером движения жидкости.

 

Рис.7. Характер обтекания цилиндрической трубы.

 

На передней половине цилиндра возникает пограничной слой, толщина которого увеличивается в направлении движения. Вслед­ствие роста толщины слоя возрастает его термическое сопротивле­ние, что приводит к падению коэффициента теплоотдачи α (рис. 8).

Минимальное значение α соответствует линии отрыва погранич­ного слоя от цилиндра. В кормовой области (после точки отрыва потока) поверхность цилиндра омывается потоком со сложным вихревым движением, и значение коэффициента теплоотдачи увеличивается. Отрыв вязкой жидкости с поверхности цилиндра происходит в резуль­тате совместного влияния торможения жидкости твердой стенкой и действия перепада давления, в результате чего на ли­нии отрыва образуются обратные токи, которые оттесняют набе­гающий поток от поверхности тела.

 

 

Рис.8. Изменение коэффициента теплоотдачи по сечению трубы при поперечном обтекании.

 

На основании опытных данных для расчета средней величины коэффициента теплоотдачи для трубы установлена следующая критериальная зависимость:

(20)

Значения коэффициентов С и п зависят от числа Re и формы обтекаемого тела. Для круглых труб они могут быть выбраны из табл.1.

 

Таблица 1.

Найденное на основании уравнения (20) значение коэффи­циента теплоотдачи α является средним для всей поверхности цилиндра.

Уравнение (20) справедливо только для поперечного (при угле атаки ψ, равном 90°) обтекания.

При уменьшении угла ψ атаки значение α уменьшается, что учитывается в расчетах введением поправки εψ (рис. 9):

αψ = εψ(αψ=900) (21)

б) Пучки труб. Если поперечный поток жидкости обтекает пучок труб, то процесс теплоотдачи еще более усложняется ввиду того, что харак­тер движения жидкости, омывающей поверхности труб, в значи­тельной мере зависит от расположения труб.

 

 

Рис.9. Влияние угла атаки на коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании трубы.

 

На практике широко распространено коридорное (рис. 10, а) и шахматное (рис. 10, б) расположение труб. Опытными данными установлено, что значе­ние коэффициента теплоотдачи второго и третьего ряда труб выше, чем первого; начиная с третьего ряда труб, и дальше коэффициент теплоотдачи остается постоянным.

 

Рис. 10. Коридорное и шахматное расположение труб в пучке.

 

На основе многочисленных опытов акад. предложено для расчета теплоотдачи труб следующие критериальные уравнения.

При коридорном расположении труб в пучке:

(22)

При шахматном расположении труб в пучке:

(23)

В этих формулах в качестве определяющей температуры при­нята средняя температура жидкости, определяющей скорости — скорость в самом узком сечении ряда и определяющего размера — диаметр трубки.

Для воздуха критериальные уравнения соответственно прини­мают вид:

; (24)

. (25)

Эти формулы позволяют определить среднее значение коэф­фициента теплоотдачи α для трубок третьего и всех последующих рядов в пучках. Значение коэффициента теплоотдачи для трубок первого ряда пучка определяется умножением найденного значе­ния α для трубок третьего ряда на поправочный коэффициент εn = 0,6; для трубок второго ряда — в коридорных пучках εn = 0,9, а в шахматных пучках εn = 0,7. Если же требуется определить средний коэффициент теплоотдачи всего пучка, то расчет ведут по следующей зависимости:

, (26)

где α1 … αn - коэффициенты теплоотдачи для отдельных рядов;

F1… Fn - поверхности нагрева всех трубок в ряду.

 

4. Лучистый теплообмен

 

Энергия теплового излучения возникает в теле вследствие тепловой энергии и представляет собой электромагнитные коле­бания, имеющие длину волны 0,8…40 мкм. Эти колебания известны под названием ультрафиолетовых, световых (0,4…0,8 мкм) и инфракрасных лучей.

Излучение, испускаемое телом, падает на окружающие тела, частично поглощается ими (поглощенная энергия при этом превращается в теплоту), частично отражает­ся и частично проходит сквозь тело. Та часть излучения, которая отражается, и та, которая проходит сквозь тело, попа­дает на другие тела и поглощается ими. Таким образом, каждое тело не только постоянно излучает, но и постоянно по­глощает лучистую энергию.

Если из общего количества энергии Q, падающего на тело, поглощается qa, отражается Qr и проходит сквозь тело QD (рис. 11), то:

Q =  Qa + Qr + Qd.

 

 

Рис.11. Реакция тела на тепловое излучение.

Отношение Qa/Q = А называют поглощательной способностью, отношение Qr/ Q  = R — отража­тельной способностью и отношение Qd/Q =D - пропускной способностью тела.

Следовательно, А + R + D = 1.

Если А = 1, R = 0, D = 0 — тело абсолютно черное, так как вся энергия поглощается телом.

А = 0,96 имеют шероховатые тела, покрытые сажей. Если R = 1, А = О, D = 0 — тело зеркальное и вся энергия отра­жается телом. При D = l, R = 0, А = 0 тело абсолютно проз­рачное и вся энергия проходит через тело.

В природе абсолютно черных, прозрачных и зеркальных тел нет. Тела, поглощательная способность которых от длины волны не зависит, называются серыми телами.

На практике большинство тел можно принимать серыми, а так как твердые тела и жидкости для тепло­вых лучей практически непрозрачны (D = 0), то для них А + R = = 1; из этого следует, что если тело хорошо отражает, то оно плохо поглощает лучистую энергию и наоборот.

 

Основные законы лучистого теплообмена

Закон Стефана-Больцмана. По закону Стефана-Больцмана лучеиспускательная способность тела Е пропорциональна чет­вертой степени абсолютной температуры:

(27)

где Е — лучеиспускательная способность тела, т. е. количество энергии, проходящей через единицу по­верхности тела в единицу времени, в вт1м2.

С0 = 5,69 — константа излучения абсолютно черного тела в вт/(м2·град4)

ε — степень черноты тела, характеризующая собой отношение лучеиспускательной способности Е серого тела к лучеиспускательной способности E0 абсолютно черного тела при той же температуре Т:

. (28)

Теплообмен между газом и поверхностью твердого тела. Газы излу­чают и поглощают энергию селективно, т. е. лишь в определенных интерва­лах длин волн (полосах), вне этих интервалов газы прозрачны. При тепло­обмене между газом и поверхностью твердого тела существенное значение имеет излучение (поглощение) следующих газов, широко применяемых в технике: углекислоты СО2, водяного пара Н2О, сернистого газа SО2, окиси углерода СО и некоторых других. Излучение одно- и двухатомных газов (кислорода, водорода, азота и др.) ничтожно и может не приниматься во внимание.

Для разных газов закономерности излучения различны. Для унифи­кации закономерностей излучения в основу расчетов положен закон Стефана-Больцмана. Количество теплоты, которое получается (или отдается) вследствие излучения газа единицей поверхности стенки в еди­ницу времени на основании закона Стефана-Больцмана, имеет вид:

, (29)

где Тг и Тw — абсолютные температуры газа и поверхности стенки;

А г — поглощательная способность газа при температуре стенки;

εг — степень черноты газа.

Если степень черноты стенки εw = 1…0,7, то эффективная степень черноты поверхности:

. (30)

Для разных газов степень черноты различна и зависит от температуры газа, давления и средней длины луча. Зависимость между этими вели­чинами устанавливается опытом, а для практических расчетов пользуются номограммами.

В заключение отметим, что для интен­сификации теплообмена лучеиспусканием, очевидно, необходимо увеличить температуру излучающего тела и усилить степень черноты системы. Наоборот, чтобы уменьшить тепло­отдачу, необходимо снизить температуру из­лучающего тела и уменьшить степень черно­ты. В тех же случаях, когда температуру изменять нельзя, для снижения теплоотдачи лучеиспусканием применяют экраны (напри­мер, из белой жести). При приме­нении п экранов теплоотдача уменьшается в (п + 1) раз.