Теплоотдача теплоносителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Теплоотдача - теплообмен между поверхностью твердого тела и соприкасающейся с ней средой - теплоносителем (жидкостью, газом). Теплоотдача осуществляется конвекцией, теплопроводностью, лучистым теплообменом. Различают теплоотдачи при свободном и вынужденном движении теплоносителя, а также при изменении его агрегатного состояния. Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи - количеством теплоты, переданным в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью и средой-теплоносителем в 1 Кельвин. Теплоотдачу можно рассматривать как часть более общего процесса теплопередачи.

Данная тема актуальна, так как с теплоотдачей при естественной конвекции нам приходится встречаться очень часто и в быту, и в технических устройствах. В качестве примера бытового теплообменника, служащего для отопления помещений, можно привести так называемые водяные батареи, представляющие собой систему труб, по которым протекает горячая вода.

1. Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя

1.1 Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей в трубах и каналах

Теплоотдача - теплообмен между поверхностью твердого тела и соприкасающейся с ней средой - теплоносителем (жидкостью, газом). Теплоотдача осуществляется конвекцией, теплопроводностью, лучистым теплообменом. Различают теплоотдачи при свободном и вынужденном движении теплоносителя, а также при изменении его агрегатного состояния.

Обычно в теплообменных аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чаще всего к технике формируется поверхность теплопередачи. Поэтому для расчета и рациональной эксплуатации теплообменников очень важно знание основных закономерностей переноса теплоты при движении теплоносителя в трубах.

При ламинарном движении теплоносителя, равномерном распределении скорости и температуры на начальном участке трубы у поверхности стенки образуются (рис. 1 - а) пограничные слои толщиной д_ф (гидродинамический) и д_ф (тепловой). Толщина этих слоев по мере удаления от входа увеличивается, и на некотором расстоянии, называемом длиной участка гидродинамической (l_ф) и тепловой (l_ф) стабилизации, они смыкаются. При этом коэффициент теплоотдачи изменяется (рис. 1-б) от максимального значения на входе до практически неизменного после смыкания пограничных слоев. Явление резкого увеличения скорости переноса субстанции (в данном случае теплоты) при входе потока и аппарат получило название «входной эффект». Очевидно, что для создания условий повышенных значений коэффициентов теплоотдачи целесообразно формировать теплообменники и длиной труб, незначительно превышающей l_ф.

При турбулентном движении теплоносителя влияние входного участка существенно зависит от условий входа в трубу. Чем больше эти условия способствуют увеличению возмущения потока (ввод теплоносителя в трубу под большим углом, острые кромки на торце трубы и т.п.), тем выше коэффициент теплоотдачи на участке стабилизации. Однако для турбулентных потоков этот участок заметно короче, чем для ламинарных, так как при турбулентном режиме формирование пограничного слоя происходит значительно быстрее. Поэтому при турбулентном режиме движения жидкости в трубах влияние входного эффекта наиболее существенно для коротких труб.

Для установившегося турбулентного режима движения теплоносителя (при Re>10000) уравнение теплоотдачи имеет, например, следующий вид:

Nu = 0,021 Re^0,8Pr^0,43(Pr/Pr_с)^0,25е_l, (1.1)

где е_l - коэффициент длины, обычно равный единице; Re - критерий Рейнольдса, характеризующий режим движения жидкости; Pr - критерий Прандтля, определяющий физические свойства жидкости. В множителе (Pr/Pr_c)^0,25, который входит в уравнение подобия конвективного теплообмена, Pr и Pr_c - числа Прандтля среды при средних температурах пограничного слоя t_m и наружной поверхности емкости t_c

В уравнении (1.1) вес физические характеристики, входящие в критерии Re и Рr, подставляются при средних температурах теплоносителей, а в критерий Рr_с - при температуре стенки. Отношение критериев Рr/Рr_ст отражает влияние на коэффициент б направления теплового потока: при нагревании Pr_ст < Рr, и Рr/Рr_ст > 1; при охлаждении Рr_ст > Рr, и Рr/Рr_ст < 1. Для газов критерий Рr ? 1, и отношение Рr/Рr_ст также равно 1. Коэффициент е_l =f (l/d) учитывает влияние на коэффициент теплоотдачи входного эффекта. Приближенно е_l = 1+2/(l/d). При l/d > 15 имеем е_l = 1.

Рисунок 1 - Формирование полей скоростей х и температур t (а) и изменение коэффициента теплоотдачи б (б) на начальном участке труб при ламинарном движении теплоносителя

Для переходного режима (2300<Re<1*10⁴) нет надежных уравнений расчета коэффициента теплоотдачи. Приближенно для этого режима можно определить коэффициент теплоотдачи путем усреднения значений б, рассчитанных по уравнениям для турбулентного и ламинарного режимов или по зависимости

Nu = 0,008 Re^0,9 Pr^0,43, (1.2)

где Nu - критерий Нуссельта, характеризующий подобие тепловых потоков, передаваемых за счет конвективного теплообмена и теплопроводности в пограничном слое; Re - критерий Рейнольдса, определяющий соотношение сил инерции и вязкости в потоке жидкости; Pr - критерий Прандтля критерий Прандтля, характеризующий теплофизические свойства среды и их влияние на конвективный теплообмен;

Для ламинарного течения (Re?2300) теплоносителя при вязкостно-гравитационном режиме (GrPr > 8*10⁵), при котором заметно влияние взаимного направления вынужденного движения и свободной конвекции, расчет б можно производить по следующему уравнению:

Nu = 0,15Gr^0,1 Re^0,33Pr^0,43(Pr/Pr_ст)^0,25 е_l, (1.3)

где Gr - критерий Грасгофа, характеризующий соотношение между подъемной силой, возникающей вследствие разности плотностей неравномерно нагретой среды, и силой молекулярного трения; е_l - поправочный коэффициент, учитывающий влияние начального термического участка трубы; Nu - число Нуссельта характеризует интенсивность теплоотдачи между твердой стенкой и жидкостью и определяет отношение термического сопротивления теплопроводности слоя жидкости некоторой толщиной ?к термическому сопротивлению теплоотдачи; Re - характеризует характер движения жидкости около твердой стенки и определяет соотношение сил инерции и сил вязкости (внутреннего трения) в потоке жидкости.

Определяющим размером в уравнениях (1.1) - (1.3) является диаметр трубы или эквивалентный диаметр d сечения потока. Для ламинарного потока при l/d>50, е_l=1. Величина е_l обычно близка к единице и для приближенных расчетов может не учитываться.

В приведенных выше уравнениях не учитывается влияние на величину б состояния теплообменной поверхности. Вместе с тем шероховатость при больших числах критерия Рейнольдса, когда высота выступов неровностей на поверхности теплообмена оказывается больше толщины ламинарного пограничного слоя, может значительно интенсифицировать турбулизацию потока и, как следствие, существенно увеличить коэффициент теплоотдачи при одновременном возрастании гидравлического сопротивления. На этой основе создают искусственную шероховатость теплообменной поверхности (например, в виде насечки), что при соотношении шага между соседними выступами и их высотой, равном 12-14, приводит к росту коэффициента теплоотдачи в 2-2,5 раза. При ламинарном режиме коэффициент теплоотдачи практически не зависят от шероховатости.

Коэффициент теплоотдачи зависит от:

ь скорости жидкости щ, её плотности с и вязкости м, т.е. переменных определяющих режим течения жидкости,

ь тепловых свойств жидкости (удельной теплоёмкости, теплопроводности л), а также коэффициента объёмного расширения в.

ь геометрических параметров - формы и определяющих размеров стенки (для труб - их диаметр d и длина L), а также шероховатости стенки е.

Коэффициент теплоотдачи б показывает, какое количество теплоты Q передаётся от горячего теплоносителя к холодному через 1 м² поверхности(F) при средней разности температур(?t) в 1 градус за 1 с(ф):

Другой способ интенсификации, не приводящий к существенному повышению гидравлического сопротивления, заключается в следующем. Путем выдавливания снаружи трубы с помощью специального устройства на внутренней стенке трубы образуются небольшие по высоте (1-2 мм) выступы. Расстояние между выступами равно диаметру трубы или несколько меньше его. При турбулентном движении жидкости и в потоке за зауженным участком трубы возникают вихри, которые существенно турбулизуют пограничный слой и тем самым резко снижают его термическое сопротивление. При этом коэффициент теплоотдачи увеличивается в несколько раз. К конструктивным способам интенсификации процесса теплоотдачи можно отнести также использование различных вставок внутри труб, приводящих к завихрению потока, а также установку перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников, с помощью которых увеличивают скорость движения жидкости и ее турбулизацию вследствие чередующегося изменения направления потока.

К эффективным технологическим методам интенсификации теплообмена относятся создание пульсаций потока жидкости, а также проведение процесса в тонких каналах, при течении жидкости в виде тонкой пленки и др.

1.2 Теплоотдача при вынужденном поперечном обтекании труб

Для того чтобы лучше понять зависимость коэффициента теплоотдачи от гидродинамических условий обтекания теплоносителем наружной поверхности труб, рассмотрим вначале поперечное обтекание одиночной трубы, а затем - пучка труб. При поперечном обтекании грубы на лобовой части ее поверхности образуется ламинарный пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается (рис. 2). При обтекании лобовой части трубы сечение потока уменьшается, скорость жидкости увеличивается, а давление у поверхности падает. В кормовой части трубы давление увеличивается, так как скорость уменьшается; скорость жидкости в пограничном слое также снижается, а начиная с некоторого сечения частицы движутся в обратном направлении, образуя вихри, которые периодически отрываются с поверхности трубы и уносятся потоком. При этом соответственно изменяется значение локального коэффициента теплоотдачи по поверхности (окружности) трубы (рис. 2 - в, г).

Максимальное значение б - на лобовой образующей трубы (угол = 0), где толщина пограничного слоя д_г, мала. Затем коэффициент теплоотдачи снижается за счет увеличения д_г. Такой режим наблюдаемся при Re до 2*10⁵. При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса (при Re>2-10⁵) ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный, и точка отрыва перемещается в кормовую сторону трубы.

Рисунок 2 - Схема поперечного обтекания трубы теплоносителем: а - при ламинарном пограничном слое; б - при турбулентном пограничном слое; в-распределение скорости у поверхности трубы; г - изменение относительного коэффициента теплоотдачи по окружности трубы при Re = 2,19*10⁵)

Положение точки отрыва трубы не является стабильным и зависит от характера движения невозмущенного потока. При Re > 2*10⁵ отрыв турбулентного пограничного слоя происходит при ц = 120…140^о При турбулентном режиме обтекание цилиндра улучшается и теплоотдача увеличивается. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании трубы предложены следующие уравнения:

при Re = 5…1*10³

Nu =0,5Re^0,5 Pr^0.38 (Pr/Pr_cт,)^0,25; (1.4)

при Re= 10³…2*10⁵

Nu = 0,25Re^0,6Pr^0,43(Pr/Pr_ст)^0,25 (1.5)

В этих уравнениях за определяющий геометрический размер принят внешний диаметр трубы, а в качестве определяющей температуры - средняя температура жидкости.

Трубчатые теплообменники обычно выполняют в виде пучка трубок. Расположение трубок в этих теплообменниках может быть самым разнообразным. Наиболее распространены шахматные и коридорные пучки (рис. 3). Обтекание трубы в пучке отличается от обтекания одиночной грубы тем, что расположенные рядом трубы оказывают взаимное влияние на этот процесс.

Рисунок 3 - Схема обтекания пучков труб: а - коридорных; б - шахматных; 1 - 5 - ряды труб

Протекая между трубами, поток сужается, вследствие чего изменяется поле скоростей, и место отрыва пограничного слоя перемещается в направлении потока. Трубы, расположенные во втором и последующих рядах, попадают в вихревой след от предыдущих рядов, что не может не отразиться на коэффициентах теплоотдачи. Обтекание пучка труб и теплоотдача в нем зависят не только от расположения труб (коридорное или шахматное), но и от их плотности. Плотность расположения труб в пучке может быть охарактеризована относительными поперечным S₁/d и продольным S₂ /d шагами.

Для значения Re = 10³?10⁵ (что наиболее характерно для промышленных теплообменников) при числе рядов в пучке больше трех

Nu = C Re^m Pr^0.33(Pr/Pr_с)^0.25 е_s, (1.6)

где е_s - поправка, учитывающая плотность расположения труб в пучке; С = 0.41 и т = 0,6 - для шахматных пучков; C = 0,2 и m = 0,65 для коридорных; Re - критерий Рейнольдса, характеризующий режим движения жидкости; Pr - критерий Прандтля, определяющий физические свойства жидкости.

В уравнении (1.6) за определяющий размер принимают наружный диаметр трубы пучка, скорость жидкости рассчитывают по самому узкому сечению ряда. Поправку е_s, учитывающую плотность расположения труб в пучке, определяют следующим образом:

для коридорного пучка

е_s = (S₂/d) ^{- 0,25};

для шахматного

е_s = (S₁/S₂)^1/6 при S₁/S₂ < 2;

где S₁ - поперечный шаг (расстояние между осями соседних труб, расположенных в одном ряду поперек потока жидкости), S₂ - продольный шаг (расстояние между осями соседних рядов труб в направлении движения потока жидкости); е_s = 1,12 при S₁ / S₂ ? 2.

При проектировании теплообменных аппаратов следует выбрать оптимальную компоновку с учетом капитальных и эксплуатационных затрат. При больших числах Рейнольдса (при Re > 5*10⁴) обычно оказывается предпочтительнее теплообменник с шахматным расположением труб в пучке.

2. Теплоотдача при естественной конвекции

Этот вид теплоотдачи возникает при движении теплоносителя за счет разности плотностей в различных точках его объема: более нагретые макрочастицы среды, имеющие меньшую плотность, поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз и затем, нагревшись, также движутся вверх. Таким образом, возникают конвекционные токи теплоносителя. В этом случае теплоотдача должна зависеть от формы и размеров поверхности нагрева или охлаждения, температуры этой поверхности, физических свойств теплоносителя (м, с, л, c и др.). Очевидно, что при естественной конвекции скорость движении теплоносителя может быть выражена как функция этих факторов. Поэтому критерий Рейнольдса из обобщенного уравнения теплоотдачи при естественной конвекции может быть исключен, а критериальное уравнение для этого случая теплообмена выглядит так:

Nu = A(GrPr)^m, (1.7)

где А и m-коэффициенты, определяемые опытным путем; Gr - число Грасгофа, критерий, определяющий перенос теплоты для случая свободной конвекции, когда движение среды происходит под действием силы тяжести и вызывается разностью плотностей из-за неравномерности поля температур; Pr - число Прандтля - безразмерная физическая величина, один из подобия критериев тепловых процессов в жидкостях и газах

Значения А и m, зависящие от режима движения среды при естественной конвекции, приведены ниже

При первом режиме теплота передается в основном теплопроводностью, так как теплоотдача слабо зависит от величины Gr*Pr. При втором режиме теплота передается в основном свободной (естественной) конвекцией при ламинарном течении теплоносителя. При третьем режиме теплота передается свободной конвекцией при смешанном и турбулентном движении теплоносителя.

Более сложные случаи теплоотдачи при естественной конвекции рассмотрены в специальной литературе.

В производственных условиях часто приходится подогревать жидкость, находящуюся в замкнутом сосуде. Распространение тепла и жидкости, передаваемого от стенок сосуда, происходит пути-м естественной конвекции. Наконец, стенки всякого технического устройства, содержащего нагретый теплоноситель, отдают тепло окружающему это устройство атмосферному воздуху, в котором возникает свободная конвекция. Потеря тепла в окружающую среду обычно бывает нежелательной, вследствие чего возникает вопрос об уменьшении этих потерь, для чего применяется тепловая изоляция, устройство которой мы рассмотрим в дальнейшем.

Теплоотдача при свободной конвекции, как и при вынужденном движении, в основном определяется характером движения жидкости, протекающей около нагреваемого или охлаждаемого тела.

Свободное движение определяется различием в температурах жидкости и омываемого ею тела. Поэтому естественно ожидать, что коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции в первую очередь определяется температурным напором. Это подтверждается многочисленными опытами, причем оказывается, что чем больше температурный напор, тем сильнее влияние его на коэффициент теплоотдачи. Таким образом, при свободной конвекции удельный тепловой поток зависит от температурного напора, в большей степени, чем при вынужденной конвекции, поскольку и данном случае коэффициент теплоотдачи сам зависит от температурного напора.

В связи с тем, что свободное движение развивается под действием разностей температур в различных точках объема теплоносителя, устанавливающиеся скорости движения уже нельзя рассматривать и качестве величин, характеризующих движение, они сами зависят от разностей температур. Поэтому скорость свободного потока не является также исходной величиной, определяющей коэффициенты теплоотдачи. Равным образом при свободном движении основную роль играет не плотность жидкости, а разность плотностей, соответствующих различным температурам в объеме теплоносителя, т.е. и здесь имеют значение разности температур. Плотность же сама по себе оказывает существенно меньшее влияние на теплоотдачу, чем при вынужденной конвекции.

Физические свойства теплоносителя, в особенности теплопроводность, значительно отражаются на величине коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции. Наконец, размеры тела оказывают заметное влияние на теплообмен при свободном движении лишь в том случае, если они малы или если мал температурный напор. На рисунке 4 приведена картина свободного движения воздуха около нагретых горизонтальных труб различных диаметров. В то время как около трубы большего диаметра движение происходит через те же стадии, что и в описанном случае вертикальной трубы, при малом диаметре вихревое движение не успевает развиться и вся труба оказывается охваченной ламинарным потоком жидкости.

Естественная конвекция характеризуется малыми скоростями движении жидкости. Этим объясняется то, что обычно при вынужденном турбулентном движении коэффициенты теплоотдачи получаются в десятки и сотни раз более высокими, чем при свободной конвекции.

Вследствие этого влиянием свободной конвекции на теплообмен в вынужденном турбулентном потоке всегда можно пренебрегать.

Картина обтекания воздухом горизонтальных труб при свободной конвекции

Для того чтобы дать представление о величинах коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции, на рисунке 5 приведены графики зависимости коэффициента теплоотдачи от температурного напора для случая омывания нагретой горизонтальной трубы диаметром 30 мм водой или атмосферным воздухом. Температура теплоносителей принята равной 20^оС, а температуры стенки от 40 до 220°С; следовательно, температурные напоры для разных точек графика составляют 20-200°С.

Для обоих случаев, представленных на графике, коэффициенты теплоотдачи получились значительно более низкими, чем для случаев вынужденного движения. Особенно низки они для воздуха - теплоносителя, обладающего низкой теплопроводностью. Заметим, что на интенсификацию теплообмена при свободной конвекции увеличение давления сжимаемой жидкости оказывает значительно меньшее влияние, чем при вынужденной конвекции.

Графики обнаруживают существенную зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора.

теплоноситель труба теплоотдача конвекция

Зависимость коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции от температурного напора при обтекании горизонтальной трубы: а) - водой; б) - воздухом

Значительное влияние на усиление теплообмена свободная конвекция может оказать и прослойках, заполненных малотеплопроводными жидкостями или газами. Помимо переноса тепла за счет теплопроводности среды, заполняющей прослойку, осуществляется также конвективный теплообмен, в результате чего при достаточной толщине прослойки суммарный тепловой поток может оказаться в несколько (а иногда и в десятки) раз больше, чем при наличии только явления теплопроводности.

Естественно, что и в данном случае влияние свободной конвекции усиливается при увеличении разности температур (разности температур поверхностей, ограничивающих прослойку). Это влияние оказывается также тем большим, чем шире прослойка жидкости.

Заключение

В данной работе рассмотрены основы теплопередачи, в частности теплоотдача при естественной конвекции и теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Под вынужденным движением или вынужденной конвекцией жидкости понимают движение, вызванное действием внешних сил, приложенных на границах системы, поля массовых сил, приложенных к жидкости внутри системы, или за счет кинетической энергии, сообщенной жидкости вне системы.

Выяснили, что естественная конвекция характерна тем, что она вызывается и поддерживается не искусственным путем, а возникает сама, под воздействием разности температур и обусловленной этим разности плотности в жидкостях и газах. Также рассмотрели теплоотдачу при вынужденном движении теплоносителя, а также при изменении его агрегатного состояния. Естественная конвекция, возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и погружаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова.

Список литературы

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. Изд. 2-е. в 2-х кн: часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. - М.: Химия, 1995. - 400 с.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд. М.: Химия, 1973. 750 с.

3. Теплотехника // Хазен М.М., Матвеев Г.А., Грицевский М.Е., Казакевич Ф.П.; Под ред. Г.А. Матвеева-М.: Высш. Школа, 1981-480 с., ил. 1956.

4. Балалайка Б.Н. Процессы теплообмена в аппаратах химической промышленности, 1962, 353 с.

5. Чечеткин А.В., Занемовец А.Н. Теплотехника: Учеб. для хим.-технол. спец. вузов. - М. Высш. шк., 1986. - 344 с.

Размещено на Allbest.ru