Расчет коэффициентов теплоотдачи

Интенсивность теплоотдачи зависит от динамического вида течения, определяющего структуру пограничного слоя у поверхности теплообмена, который в свою очередь зависит от скорости потока. Увеличение скорости потока ведет к уменьшению пограничного слоя, повышает турбулентность и приводит к увеличению интенсивности теплоотдачи.

Теплоотдача так же зависит от характеристик теплоносителя. Высокая теплопроводность уменьшает термическое сопротивление пограничного слоя и увеличивает теплоотдачу.

Снижение вязкости жидкости уменьшает пограничный слой, что так же благоприятно влияет на теплообмен между поверхностью и потоком теплоносителя.

Уменьшение пограничного слоя происходит так же в случае повышения кинематической вязкости или увеличения плотности рабочей среды, что так же повышает теплоотдачу.

Так же интенсивность теплоотдачи зависит от теплоемкости жидкости. При повышении теплоемкости повышается и теплоотдача, поскольку жидкость с большей теплоемкостью способна переносить большее количество теплоты.

Дополнительными факторами, влияющими на теплоотдачу, являются форма поверхности теплоотдачи, химические реакции и фазовые переходы в теплоносителе.

Онлайн расчеты, выполняемые в данном разделе, включают в себя определение коэффициентов теплоотдачи для наиболее распространенных случаев: плоской поверхности, внутренней и наружной стенки трубы, а так же расчет коэффициента теплоотдачи наружной поверхности группы параллельных труб. Для расчета необходимо задать определяющие размеры поверхностей, их температуру, температуру теплоносителя, скорость потока а так же такие характеристики рабочей среды как динамическая вязкость, плотность, коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость.

Расчет коэффициента теплоотдачи плоской стенки

Вычислить коэффициент теплоотдачи плоской поверхности можно с помощью уравнения подобия:

Nu_l = 0,66×Re_l^0,5×Pr^0,33 ; при ламинарном пограничном слое

Nu_l = 0,037×Re_l^0,8×Pr^0,43 ; при турбулентном пограничном слое

Re_l – число Рейнольдса, Pr – число Прандтля.

Исходные данные:

L – размер поверхности в направлении потока, миллиметрах;

w – скорость потока, метрах в секунду;

μ – динамическая вязкость теплоносителя, в паскаль×секунда;

ρ – плотность теплоносителя, в килограммах / метр³;

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя, в ваттах / метр×°C×сек;

C_p – удельная теплоемкость теплоносителя, в джоулях / килограмм×°C.

Число Рейнольдса:

Re = ρ×w×L / μ;

Число Пекле:

Pe = С_p×ρ×w×L / λ;

Число Прандтля:

Pr = Pe / Re;

Число Нуссельта:

Nu = 0,66×Re^0,5×Pr^0,33 – при ламинарном течении;
Nu = 0,037×Re^0,8×Pr^0,43 – при турбулентном течении;

Коэффициент теплоотдачи:

α = Nu×λ / L.

Расчет коэффициента теплоотдачи внутренней стенки трубы

Теплоотдача внутренней стенки трубы определяется уравнением:

Nu_f = 0,15×Re_f^0,33×Pr^0,43 – при ламинарном режиме течения

Nu_f = 0,021×Re_f^0,8×Pr^0,43 – при турбулентном режиме

Re_f – число Рейнольдса, Pr – число Прандтля.

Исходные данные:

D – внутренний диаметр трубы, миллиметрах;

w – скорость потока, метрах в секунду;

μ – динамическая вязкость теплоносителя, в паскаль×секунда;

ρ – плотность теплоносителя, в килограммах / метр³;

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя, в ваттах / метр×°C×сек;

C_p – удельная теплоемкость теплоносителя, в джоулях / килограмм×°C.

Число Рейнольдса:

Re = ρ×w×D / μ;

Число Пекле:

Pe = С_p×ρ×w×D / λ;

Число Прандтля:

Pr = Pe / Re;

Число Нуссельта:

Nu = 0,15×Re^0,33×Pr^0,43 – при ламинарном пограничном режиме течения;
Nu = 0,021×Re^0,8×Pr^0,43 – при турбулентном режиме;

Коэффициент теплоотдачи:

α = Nu×λ / D.

Расчет коэффициента теплоотдачи наружной стенки трубы

Число Нуссельта при расчете теплоотдачи наружной стенки трубы:

Nu_f = 0,5×Re_f^0,5×Pr^0,38 – при ламинарном режиме течения

Nu_f = 0,25×Re_f^0,6×Pr^0,43 – при турбулентном режиме

Re_f – число Рейнольдса, Pr – число Прандтля.

Исходные данные:

D – наружный диаметр трубы, миллиметрах;

w – скорость потока, метрах в секунду;

μ – динамическая вязкость теплоносителя, в паскаль×секунда;

ψ – угол между трубой и направлением потока теплоносителя, метрах градусах;

ρ – плотность теплоносителя, в килограммах / метр³;

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя, в ваттах / метр×°C×сек;

C_p – удельная теплоемкость теплоносителя, в джоулях / килограмм×°C.

Число Рейнольдса:

Re = ρ×w×D / μ;

Число Пекле:

Pe = С_p×ρ×w×D / λ;

Число Прандтля:

Pr = Pe / Re;

Число Нуссельта:

Nu = 0,5×Re^0,5×Pr^0,38×ε_ψ – при ламинарном режиме течения;
Nu = 0,25×Re^0,6×Pr^0,43×ε_ψ – при турбулентном режиме;
ε_ψ – коэффициент, учитывающий угол между трубой и направлением потока теплоносителя;

Коэффициент теплоотдачи:

α = Nu×λ / D.

Расчет коэффициента теплоотдачи наружной стенки группы параллельных труб

При организации теплообмена между теплоносителем и группой труб, расположенных в несколько рядов, процесс теплоотдачи несколько усложняется. В этом случае теплоотдача зависит от взаимного расположения труб и ряда, в котором находится конкретная труба. При этом, в расчет числа Нуссельта вводятся поправочные коэффициенты, учитывающие расположение труб в группе:

ε_s = (S₂ / d)^-0,15 – при коридорном расположении труб

ε_s = (S₁ / S₂)^0,167 – при шахматном расположении труб

Поскольку первый ряд труб находится в невозмущенном потоке жидкости, теплоотдача труб первого ряда меньше чем последующих. В связи с этим, для учета неравномерности теплоотдачи вводятся коэффициенты для первого, второго и последующих рядов труб:

ε₁ = 0,6 – для первого ряда
ε₂ = 0,9 – для второго ряда при коридорном расположении
ε₂ = 0,7 – для второго ряда при шахматном расположении
ε_i = 1 – для третьего и последующих рядов труб

Константы подобия при расчете числа Нуссельта так же зависят от взаимного расположения труб в турбулентном потоке:

Nu_f = 0,56×Re_f^0,5×Pr^0,36 – прирасположении труб в ламинарном потоке

Nu_f = 0,26×Re_f^0,65×Pr^0,33 – при коридорном расположении труб в турбулентном потоке

Nu_f = 0,41×Re_f^0,6×Pr^0,33 – шахматном расположении труб в турбулентном потоке

Исходные данные:

D – наружный диаметр труб, миллиметрах;

S₁ – поперечный шаг труб, миллиметрах;

S₂ – продольный шаг труб, миллиметрах;

z – количество рядов труб;

μ – динамическая вязкость теплоносителя, в паскаль×секунда;

w – скорость потока, метрах в секунду;

ψ – угол между трубой и направлением потока теплоносителя, метрах градусах;

ρ – плотность теплоносителя, в килограммах / метр³;

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя, в ваттах / метр×°C×сек;

C_p – удельная теплоемкость теплоносителя, в джоулях / килограмм×°C.

Число Рейнольдса:

Re = ρ×w×D / μ;

Число Пекле:

Pe = С_p×ρ×w×D / λ;

Число Прандтля:

Pr = Pe / Re;

Число Нуссельта:

Nu = 0,56×Re^0,5×Pr^0,36×ε_ψ×ε_s×ε_i – при ламинарном потоке;
Nu = 0,26×Re^0,65×Pr^0,33×ε_ψ×ε_s×ε_i – при коридорном расположении труб в турбулентном потоке;
Nu = 0,41×Re^0,6×Pr^0,33×ε_ψ×ε_s×ε_i – при шахматном расположении труб в турбулентном потоке;

Коэффициент теплоотдачи:

α = Nu×λ / D.

Другие калькуляторы

– расчет трубопровода несжимаемой жидкости

– расчет трубопровода газа

– Расчет свободной конвекции для горизонтальной поверхности

– Расчет свободной конвекции для вертикальной поверхности

– Расчет коэффициента теплопередачи через плоскую стенку

– Расчет коэффициента теплопередачи через цилиндрическую стенку