Теплообмен при конденсации

Теплообмен при вынужденном движении жидкости

По значению критерия Рейнольдса может быть определен режим течения жидкости - ламинарный, переходный или турбулентный.
Теплообмен при движении жидкости в трубе
При течении жидкости в трубах ламинарное движение наблюдается при  При  возмущения потока необратимо нарушают ламинарный режим движения и способствуют турбулизации потока. Однако турбулентное движение устанавливается при  При числах Рейнольдса от  до  движение жидкости является переходным от ламинарного к турбулентному.
Определяющим линейным размером при движении жидкости в трубах является внутренний диаметр трубы.
На рис. 10 схематично показано изменение скорости и температуры жидкости при течении в трубе. Здесь можно выделить начальный гидродинамический участок 1, где происходит образование пограничного слоя. Длина участка гидродинамической стабилизации увеличивается с ростом числа Re и уменьшается с усилением возмущения потока на входе в трубу.
При турбулентном течении распределение скорости имеет вид усеченной параболы 2 (рис. 10), форма которой зависит от значения числа Re. С увеличением значений критерия Рейнольдса наблюдается резкое изменение скорости вблизи стенки и ее пологое изменение в центральной части трубы.

Рис. 10. Развитие течения при вынужденном движении в трубе
Теплообмен в трубе существенно зависит от гидродинамической картины движения жидкости. В теплообмене участвует только пристенный пограничный слой, а остальная часть сечения, составляющая ядро потока, с температурой, равной температуре на оси, в теплообмене не участвует. До тех пор, пока тепловой пограничный слой не достигнет оси трубы, температура жидкости на оси трубы остается равной ее значению во входном сечении 3 (рис. 10). Изменение температуры на оси трубы вниз по потоку начинается с сечения, где тепловой пограничный слой достигает оси.
Длина участка тепловой стабилизации зависит от большого числа различных факторов, из которых главными факторами являются: число Рейнольдса, свойства жидкости, условия входа в трубу.
При ламинарном течении жидкости в трубах возможны два режима движения: вязкостный и вязкостно-гравитационный.
При вязкостном режиме силы вязкости преобладают над подъемными силами в жидкости. Такой режим наблюдается при ламинарном течении жидкостей с большой вязкостью в трубах малого диаметра и при малых температурных напорах.
При вязкостно-гравитационном режиме подъемные силы велики и заметное влияние на перенос теплоты оказывает свободная конвекция. На распределение скорости по сечению трубы значительное влияние оказывает изменение вязкости, а также интенсивность и направление свободного движения.
Вязкостный режим наблюдается при (Gr·Pr) < 8·10⁵ , средний коэффициент теплоотдачи при этом режиме определяется из уравнения

Формула действительна при  ; t_с = idem и   .
За определяющую температуру принята расчетная температура  (знак минус при нагревании и плюс при охлаждении);  – средний логарифмический температурный напор между поверхностью твердого тела и жидкостью.
Вязкостно-гравитационный режим имеет место при (Gr∙Pr) >8·10⁵, средний коэффициент теплоотдачи в этом случае определяется по формуле

Значения среднего коэффициента теплоотдачи при переходном режиме движения можно рассчитать по формуле
Nu = (0,563 Re^0,5 – 23,346)  Pr ^0,43 
Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном движении обычно используется формула М. А. Михеева

Формулы (128) – (130) действительны при l/d > 50; в них за определяющий линейный размер принят внутренний диаметр трубы; за определяющую температуру – средняя температура потока t_ж.
Если течение жидкости происходит по каналам некруглого сечения, то в качестве определяющего линейного размера принимается эквивалентный диаметр, определяемый по формуле d_э=4f/u, где f – площадь поперечного сечения канала (живое сечение); u – полный смоченный периметр канала.
Более интенсивно, чем в прямых трубах, процесс теплоотдачи протекает в изогнутых трубах (змеевиках). Для вычисления коэффициента теплоотдачи при турбулентном движении в змеевике можно использовать соотношение  гдe α_зм – коэффициент теплоотдачи в изогнутой трубе; α – коэффициент теплоотдачи в прямой трубе, вычисленный по формуле (130); d – диаметр трубы; R – радиус змеевика.