Сравнение Ламинарного и Турбулентного Режимов Течения

Среда Август 17th, 2016

Режимы Течения

Одним из важнейших параметров, влияющих на теплопередачу, является сопротивление тепловому потоку через различные слои, разделяющие 2 жидкости.

Движущей силой теплопередачи является разница температуры между горячими и холодным теплоносителями. Чем больше разница, тем выше скорость, с которой тепло будет передаваться между средами. Инженер-проектировщик при расчете оптимизирует температурный напор на каждом из этапов, чтобы максимизировать общую скорость теплового потока.

Суммарное сопротивление тепловому потоку образуется 5 слоями следующим образом:

  1. Внутренний «пограничный слой», формируется протекающей внутри трубок жидкостью и находящейся в непосредственном контакте с теплообменной поверхностью.
  2. Обрастание (загрязнение)- слой, образующийся в результате осаждения твердых/полутвердых частиц на внутренней поверхности трубок (может как присутствовать, так и нет).
  3. Толщина стенки и материал внутренних трубок будет определять термическое сопротивление через сами трубки.
  4. Обрастание (загрязнение)- слой, образующийся в результате осаждения твердых/полутвердых частиц на наружной поверхности трубок (может как присутствовать, так и нет).
  5. Наружный «пограничный слой» формирующийся протекающей в межтрубном пространстве жидкостью и непосредственно омывающей внутренние трубки теплообменника.

Значения [2] и [4], обычно, предоставляются клиентом на основе опыта работы с конкретными средами, а инженер-проектировщик подбирает размеры, толщины и материалы труб в соответствии с поставленной задачей.

Сопротивление тепловому потоку [1] и [5] (коэффициенты теплоотдачи) сильно зависят от природы жидкостей, а также, в решающей степени, от геометрии поверхностей теплообмена с которыми они контактируют. Важно отметить, что на конечное значение влияет пограничный слой, т.к. это зона, где жидкость фактически контактирует с поверхностью теплообмена.

Пограничный Слой

Если вязкая жидкость протекает через внутренние трубки с малой скоростью, то процесс смешения не будет происходить, и передача тепла от более нагретой к менее нагретой среде будет осуществятся только за счет теплопроводности и/или конвекции.

Если увеличивать скорость течения жидкости внутри трубок, то она в конечном счете достигнет такой скорости, при который начнутся образовываться турбулентные вихри и пограничный слой будет срываться со стенок, смешиваясь с ядром потока жидкости.

Скорость при которой это происходит зависит от многих факторов: вязкости жидкости, шероховатости стенки труб, формы, размера труб и т. д. Для количественной оценки турбулентности (или ее отсутствия) на практике, инженеры-расчетчики используют безразмерный критерий подобия, называемый числом Рейнольдса, который определяется следующим образом:

Reynolds Equation

Где:

  • D = гидравлический диаметр трубы (м)
  • G = массовая скорость жидкости (м/с)
  • µ = кинематический коэффициент вязкости жидкости (м2/с)

Ламинарное Течение

Экспериментально установлено, что при числах Рейнольдса менее 2000, не происходит отрывания потока от стенки труб, такое течение называется ламинарным. В этом случае физические свойства жидкости оказывают определяющее значение на теплопередачу, что является неэффективным.

Nu vs Re (laminar-flow) - HRS

Синяя линия на графике иллюстрирует поведение жидкости в гладких трубах, а красная – в трубах со спиральной накаткой. Как видно из графика, при числах Рейнольдса до 2000 не наблюдается заметного эффекта от использования труб со спирально накаткой, вместо гладких труб.

Переходный Режим Течения

При значениях числа Рейнольдса от 2000 до 10000 мы имеем неоднозначную область, которая называется переходной зоной, где турбулентное течение может как возникать, так и затухать в зависимости от множества непредсказуемых факторов. Поскольку течение в этой зоне трудно определить, то инженеры-проектировщики стараются уйти от расчетов теплообменных аппаратов в данных режимах.

Nu vs Re (transition-zone) - HRS

 

Как мы видим из графика, трубы со спиральной накаткой показывают свою высокую эффективность при числах Рейнольдса превышающих 2000, но все еще ниже уровня 10000, необходимого для турбулентного течения в гладкой трубе.

Турбулентное Течение

При числах Рейнольдса больше 10000 происходит интенсивный отрыв потока от стенок труб, что приводит к сильному перемешиванию пограничного слоя с ядром потока. Этот режим течения называется турбулентным и является наиболее эффективной областью работы трубчатых теплообменников.

Nu vs Re (turbulent-flow) - HRS

Представленный график показывает, что трубы со спиральной накаткой существенно увеличивают интенсивность теплообмена при числах Рейнольдса более 10000 по сравнению с эквивалентными гладкими трубками, где течение находится еще в переходной зоне.

Другие различные методы по созданию турбулентного течения при низких числах Рейнольдса не имеют широкого применения, т.к. имеют существенный недостаток: потери давления возрастают быстрее, чем уменьшается сопротивление пограничного слоя. Также некоторые жидкости не могут работать со вставками из-за сильной вязкости или наличия крупных частиц в потоке.

Наиболее эффективный метод интенсификации потока, который не имеет описанных выше недостатков, это деформация трубок путем образования спиральных углублений или выступов на них. Исследования показали, что при правильном выборе глубины, угла и ширины углублений, турбулентный поток создается при числах Рейнольдса ниже 10000.

При значениях числа Рейнольдса выше 10000, деформированные трубки со спиральной накаткой также привносят дополнительную турбулентность в поток, тем самым увеличивая интенсивность теплообмена, а значит уменьшая требуемую поверхность теплообмена, следовательно, стоимость теплообменника.

Именно поэтому мы производим трубчатые теплообменники со спиральной накаткой.

 

© 2017 HRS Heat Exchangers. All Rights Reserved

Продолжая пользоваться сайтом, вы соглашаетесь с использованием cookies-файлов. Подробнее. Подробнее

Параметры cookies-файлов на этом сайте установлены, как "разрешить cookies ", чтобы обеспечить Вам лучший просмотр сайта. Если вы будете продолжать использовать этот веб-сайт без изменения настроек cookies-файлов или нажмете кнопку "Принять", то вы соглашаетесь с этим.

Закрыть