Конвективный теплообмен при течении однофазной среды в круглой трубе

Оглавление
Введение…………………………………………………………...... 2
Задание на курсовую работу………………………………………. 3
1. Влияние изменения теплофизических свойств при смене вида теплоносителя (среды) на величину коэффициентов теплоотдачи α и гидравлического сопротивления ξ……………... 4
2. Влияние изменения теплофизических свойств при смене вида теплоносителя (среды) на величину коэффициентов теплоотдачи α и гидравлического сопротивления ξ……………... 6
3. Влияние изменения скорости движения среды (теплоносителя) на величину коэффициентов теплоотдачи α и гидравлического сопротивления ξ…………………………………………………….. 8
4. Влияние особенностей теплоотдачи внутри начальных гидродинамического и теплового участков на величину коэффициентов теплоотдачи α и гидравлического сопротивления ξ…………………………………………………….. 11
5. Влияние изменения направления теплового потока на величину коэффициентов теплоотдачи α и гидравлического сопротивления ξ…………………………………………………….. 15
Список литературы………………………………………………… 18
Введение
Самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем называется теплообменом. Как и любой самопроизвольный процесс, теплообмен является необратимым и продолжается до тех пор, пока в системе не установится равновесие.
В движущихся жидкостях и газах происходит конвективный теплообмен. В этом случае распространение теплоты в пространстве осуществляется одновременно двумя способами: за счёт теплового движения микрочастиц и посредством перемещения макрочастиц (элементов жидкости или газа) из одной точки пространства в другую. Последний способ называется конвективным переносом теплоты.
На процесс конвективного теплообмена оказывает влияние скорость движения среды и её распостранение в пространстве. В движущейся среде на процесс конвективного теплообмена оказывает влияние скорость движения среды и ее распостранение в пространстве.
Характер движения жидкости в трубах может быть ламинарным и турбулентным. Режим течения можно определить по величине числа Рейнольдса: если Re <2300, то движение жидкости будет ламинарным. При Re = 2·103 ÷104 течение называют, переходным. При Re > 104 в трубе устанавливается развитое турбулентное течение жидкости. Формирование характера потока происходит в начальном участке трубы. При входе в трубу скорости по сечению распределяются равномерно. В дальнейшем при течении вдоль трубы у стенок образуется гидродинамический пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается и становится равной радиусу трубы, а в трубе устанавливается постоянное распределение скоростей, характерное для данного режима течения, или наступает так называемое стабилизованное течение. Это происходит как при ламинарном, так и при турбулентном течении жидкости.
Задание на курсовую работу
Внутри трубы длиной l = 1,5 м и внутренним диаметром d = 0,03 м со скоростью W (м/с), движется среда (вода или воздух). Средние температуры стенки трубы и среды на участке трубы длиной l обозначены через tс и tж.
Исследовать влияние на величину коэффициентов теплоотдачи α и гидравлического сопротивления ξ:
- изменения теплофизических свойств среды с температурой;
- изменения теплофизических свойств при смене вида теплоносителя (среды);
- скорости движения среды (теплоносителя);
- особенностей теплоотдачи внутри начальных гидродинамического и теплового участков;
- изменения направления теплового потока.

1. Влияние изменения теплофизических свойств при смене вида теплоносителя (среды) на величину коэффициентов теплоотдачи α и гидравлического сопротивления ξИсходные данные
Свойства (от температуры)Среда W (м/с)tс, ℃ tж, ℃Воздух 105080130150Расчёт:
Теплофизические свойства воздуха при tж=150 ℃:
Коэффициент теплопроводности: λ=3,57*10-2 Втм∙℃;Кинематический коэффициент вязкости: ν=28,95*10-6 м2с;Число Прандтля: Pr=0,685;1. Температура стенки tс=50 ℃Число Прандтля при температуре tс=50 ℃: Prс=0,698Определяем режим движения воздуха:
Re=Wdν=10*0,0328,95*10-6=10362,69Режим движения при Re>10000 – турбулентный.
Число Нуссельта для турбулентного режима движения:
Nu=0,021Re0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*10362,690,8*0,6850,43*0,685 0,6980,25=28,97Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=28,97*3,57*10-20,03=34,47 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном режиме вычисляем по формуле Блаузиуса для 104<Re<105:
ξ=0,316Re0,25=0,31610362,690,25=0,0312. Температура стенки tс=80 ℃Число Прандтля при температуре tс=80 ℃: Prс=0,692Число Нуссельта:
Nu=0,021Re0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*10362,690,8*0,6850,43*0,685 0,6920,25=29,03Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=29,03*3,57*10-20,03=34,55 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления:
ξ=0,316Re0,25=0,31610362,690,25=0,0313. Температура стенки tс=130 ℃Число Прандтля при температуре tс=130 ℃: Prс=0,687Число Нуссельта:
Nu=0,021Re0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*10362,690,8*0,6850,43*0,685 0,6870,25=29,08Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=29,08*3,57*10-20,03=34,61 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления:
ξ=0,316Re0,25=0,31610362,690,25=0,031Итоговые данные сведём в таблицу:
tс, ℃5080130α, Втм2∙℃34,4734,5534,61ξ0,0310,0310,031
Вывод: изменение температуры стенки слабо влияет на коэффициент теплоотдачи, на коэффициент гидравлического сопротивления изменение температуры стенки влияния не оказывает.
2. Влияние изменения теплофизических свойств при смене вида теплоносителя (среды) на величину коэффициентов теплоотдачи α и гидравлического сопротивления ξИсходные данные
Свойства (вид среды)
Среда W (м/с)tж, ℃tс, ℃Воздух,
Вода 10 100 130Расчёт
1. Среда – воздух.
Теплофизические параметры среды:
Коэффициент теплопроводности: λ=3,21*10-2 Втм∙℃;Кинематический коэффициент вязкости: ν=23,13*10-6 м2с;Число Прандтля: Pr=0,688;Число Прандтля при температуре tс=130 ℃: Prс=0,685Определяем режим движения воздуха:
Re=Wdν=10*0,0323,13*10-6=12970,17Режим движения при Re>10000 – турбулентный.
Число Нуссельта для турбулентного режима движения:
Nu=0,021Re0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*12970,170,8*0,6880,43*0,688 0,6850,25=34,93Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=34,93*3,21*10-20,03=37,38 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном режиме:
ξ=0,316Re0,25=0,31612970,170,25=0,032. Среда – вода.
Теплофизические параметры среды:
Коэффициент теплопроводности: λ=0,683 Втм∙℃;Кинематический коэффициент вязкости: ν=0,295*10-6 м2с;Число Прандтля: Pr=1,75;Число Прандтля при температуре tс=130 ℃: Prс=1,36Определяем режим движения воздуха:
Re=Wdν=10*0,030,295*10-6=1016949,15Режим движения при Re>10000 – турбулентный.
Число Нуссельта для турбулентного режима движения:
Nu=0,021Re0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*1016949,150,8*1,750,43*1,75 1,360,25=1819,45Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=1819,45*0,6830,03=41422,81 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном режиме вычисляем по формуле Никурадзе:
ξ=0,0032+0,221Re0,237=0,0032+0,2211016949,150,237=0,011Итоговые данные сведём в таблицу:
СредаВоздухВодаα, Втм2∙℃37,38 41422,81 ξ0,030,011Вывод: изменение среды оказывает значительное влияние на коэффициенты теплоотдачи и гидравлического сопротивления. При одинаковых исходных параметрах коэффициент теплоотдачи воды больше коэффициента теплоотдачи воздуха в 1946,81 37,38=1108,5 раза, а коэффициент гидравлического трения меньше в 0,030,011=3 раза.
3. Влияние изменения скорости движения среды (теплоносителя) на величину коэффициентов теплоотдачи α и гидравлического сопротивления ξИсходные данные
Скорость движения средыСредаW (м/с)tж, ℃tс, ℃Воздух101520100130Расчёт
1. Скорость воздуха W=10 м/с.
Теплофизические параметры среды:
Коэффициент теплопроводности: λ=3,21*10-2 Втм∙℃;Кинематический коэффициент вязкости: ν=23,13*10-6 м2с;Число Прандтля: Pr=0,688;Число Прандтля при температуре tс=130 ℃: Prс=0,685Определяем режим движения воздуха:
Re=Wdν=10*0,0323,13*10-6=12970,17Режим движения при Re>10000 – турбулентный.
Число Нуссельта для турбулентного режима движения:
Nu=0,021Re0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*12970,170,8*0,6880,43*0,688 0,6850,25=34,93Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=34,93*3,21*10-20,03=37,38 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном режиме:
ξ=0,316Re0,25=0,31612970,170,25=0,032. Скорость воздуха W=15 м/с.
Определяем режим движения воздуха:
Re=Wdν=15*0,0323,13*10-6=19455,25Режим движения при Re>10000 – турбулентный.
Число Нуссельта для турбулентного режима движения:
Nu=0,021Re0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*19455,250,8*0,6880,43*0,688 0,6850,25=48,32Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=48,32*3,21*10-20,03=51,7 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном режиме:
ξ=0,316Re0,25=0,31619455,250,25=0,0273. Скорость воздуха W=20 м/с.
Определяем режим движения воздуха:
Re=Wdν=20*0,0323,13*10-6=25940,34Режим движения при Re>10000 – турбулентный.
Число Нуссельта для турбулентного режима движения:
Nu=0,021Re0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*25940,340,8*0,6880,43*0,688 0,6850,25=60,82Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=60,82*3,21*10-20,03=65,08 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном режиме:
ξ=0,316Re0,25=0,31625940,340,25=0,025Итоговые данные сведём в таблицу:
W, м/с101520α, Втм2∙℃37,3851,765,08ξ0,030,0270,025
Вывод: с увеличением скорости среды коэффициент теплоотдачи увеличивается, а коэффициент гидравлического трения уменьшается.
4. Влияние особенностей теплоотдачи внутри начальных гидродинамического и теплового участков на величину коэффициентов теплоотдачи α и гидравлического сопротивления ξИсходные данные
Влияние начального участка
СредаW (м/с)lуltж, ℃tс, ℃Воздух100,050,10,40,60,9100130Расчёт
Теплофизические параметры среды:
Коэффициент теплопроводности: λ=3,21*10-2 Втм∙℃;Кинематический коэффициент вязкости: ν=23,13*10-6 м2с;Число Прандтля: Pr=0,688;Число Прандтля при температуре tс=130 ℃: Prс=0,685Длина начального теплового и гидравлического участков:
lнт=lнг=20d=20*0,03=0,6 мОпределяем режим движения воздуха:
Re=Wdν=10*0,0323,13*10-6=12970,17Режим движения при Re>10000 – турбулентный.
1. При lуl=0,05lу=0,05l=0,05*1,5=0,075 м<20dlуd=0,0750,03=2,5Поправочный коэффициент: εl=1,64Число Нуссельта для турбулентного режима движения для начального участка:
Nu=0,021εlRe0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*1,64*12970,170,8*0,6880,43*0,688 0,6850,25=57,29Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=57,29*3,21*10-20,03=61,3 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления на начальном участке определим по формуле Шапиро – Зигеля - Кляйна:
ξ=13,74Re0,5dlу0,5=13,7412970,170,5*12,50,5=0,0762. При lуl=0,1lу=0,1l=0,1*1,5=0,15 м<20dlуd=0,150,03=5Поправочный коэффициент: εl=1,34Число Нуссельта для турбулентного режима движения для начального участка:
Nu=0,021εlRe0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*1,34*12970,170,8*0,6880,43*0,688 0,6850,25=46,808Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=46,808*3,21*10-20,03=50,08 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления на начальном участке по формуле Шапиро – Зигеля - Кляйна:
ξ=13,74Re0,5dlу0,5=13,7412970,170,5*150,5=0,0543. При lуl=0,4lу=0,4l=0,4*1,5=0,6 м=20dlуd=0,60,03=20Поправочный коэффициент: εl=1,13Число Нуссельта для турбулентного режима движения для начального участка:
Nu=0,021εlRe0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*1,13*12970,170,8*0,6880,43*0,688 0,6850,25=39,47Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=57,29*3,21*10-20,03=42,24 Втм2∙℃Т.к. при lу=0,6 м начальный участок заканчивается, то для сравнения коэффициент гидравлического сопротивления вычислен по двум формулам:
Коэффициент гидравлического сопротивления на начальном участке по формуле Шапиро – Зигеля - Кляйна:
ξ=13,74Re0,5dlу0,5=13,7412970,170,5*1200,5=0,027Коэффициент гидравлического сопротивления по формуле Блаузиуса:
ξ=0,316Re0,25=0,31612970,170,25=0,034. При lуl=0,6lу=0,05l=0,6*1,5=0,9 м>20dlуd=0,90,03=30Поправочный коэффициент: εl=1,08Число Нуссельта для турбулентного режима движения для начального участка:
Nu=0,021εlRe0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*1,08*12970,170,8*0,6880,43*0,688 0,6850,25=37,726Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=37,726*3,21*10-20,03=40,37 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления:
ξ=0,316Re0,25=0,31612970,170,25=0,035. При lуl=0,9lу=0,9l=0,9*1,5=1,35 м>20dlуd=1,350,03=45Поправочный коэффициент: εl=1,01Число Нуссельта для турбулентного режима движения для начального участка:
Nu=0,021εlRe0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*1,01*12970,170,8*0,6880,43*0,688 0,6850,25=35,28Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=35,28*3,21*10-20,03=37,75 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления:
ξ=0,316Re0,25=0,31612970,170,25=0,03Итоговые данные сведём в таблицу:
lуl0,050,10,40,60,9α, Втм2∙℃61,350,0842,2440,3737,75ξ0,0760,0540,030,030,03
Вывод: на начальном участке происходит стабилизация потока, при этом коэффициенты теплоотдачи и гидравлического трения имеют сравнительно большие значения, которые уменьшаются по мере стабилизации потока. После начального участка, когда поток стабилизирован, коэффициенты свои значения практически не меняются.
5. Влияние изменения направления теплового потока на величину коэффициентов теплоотдачи α и гидравлического сопротивления ξИсходные данные
Направление потока теплоты
СредаW (м/с)tс, ℃ tж, ℃Вода 1,05015015050Расчёт
1. Направление теплового потока от стенки к среде
Теплофизические свойства воды при tж=50 ℃:
Коэффициент теплопроводности: λ=0,648 Втм∙℃;Кинематический коэффициент вязкости: ν=0,556*10-6 м2с;Число Прандтля: Pr=3,54;Число Прандтля при температуре tс=150 ℃: Prс=1,17Определяем режим движения воды:
Re=Wdν=1*0,030,556*10-6=53956,86Режим движения при Re>10000 – турбулентный.
Число Нуссельта для турбулентного режима движения:
Nu=0,021Re0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*53956,860,8*3,540,43*3,54 1,170,25=280,41Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=280,41*0,6480,03=6289,06 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном режиме определяем по формуле Блаузиуса:
ξ=0,316Re0,25=0,31653956,860,25=0,0212. Направление теплового потока от среды к стенке
Теплофизические свойства воды при tж=150 ℃:
Коэффициент теплопроводности: λ=0,684 Втм∙℃;Кинематический коэффициент вязкости: ν=0,203*10-6 м2с;Число Прандтля: Pr=1,17;Число Прандтля при температуре tс=50 ℃: Prс=3,54Определяем режим движения воды:
Re=Wdν=1*0,030,203*10-6=147783,25Режим движения при Re>10000 – турбулентный.
Число Нуссельта для турбулентного режима движения:
Nu=0,021Re0,8Pr0,43Pr Prс0,25=0,021*147783,250,8*1,170,43*1,173,54 0,25=232,83Коэффициент теплоотдачи:
α=Nuλd=232,83*0,6840,03=5308,48 Втм2∙℃Коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном режиме для Re>100000 определяем по формуле Никурадзе :
ξ=0,0032+0,221Re0,237=0,0032+0,221147783,250,237=0,016Вывод: при направлении теплового потока от жидкости к стенке коэффициенты теплоотдачи и гидравлического трения выше, чем при направлении теплового потока от стенки воде. Более высокое значение коэффициента теплоотдачи связано с поправкой PrPrс в формуле для вычисления числа Нуссельта, которая указывает направление теплового потока. Более высокое значение коэффициента гидравлического трения связано с вязкостью жидкости, которая с увеличением температуры уменьшается.
Список литературы
1. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен: Учебное пособие для ВУЗов. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2005. – 550 с.
2. Авчухов В.В., Паюсте Б.Я. Задачник по процессам тепломассообмена: Учебное пособие для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 144 с.
3. Ерохин В.Г. Маханько М.Г. Сборник задач по основам гидравлики и теплотехники: Учебное пособие для ВУЗов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1979. – 240 с.
4. Орлов М.Е. Теоретические основы теплотехники. Тепломассообмен: Учебное пособие. –УлГТУ, 2013.- 204 с.
5. Маслов А.М. Аппараты для термообработки высоковязких жидкостей.— Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980.— 208 с., ил.