При какъв режим на потока (ламинарен, преходен, турбулентен) дебелината на стената на титаниевия нагревател се превръща в доминираща устойчивост на топлинния поток?

Технологичните инженери, разработващи титанов потопяем нагревател за флуиди с висок вискозитет или приложение с нисък поток, трябва да знаят кой режим на потока прави дебелината на стената контролиращо термично съпротивление за оптимизиране. Общото топлинно съпротивление на топлинния поток (R_total) се състои от три съпротивления. Това са конвективно съпротивление от течността към повърхността на обвивката (R_conv), проводящо съпротивление през титановата стена (R_cond=t/k_ti) и вътрешно съпротивление от нагревателния елемент и изолацията (R_int). При турбулентен поток (Re > 10 000) R_conv е много нисък (0,0001-0,0005 m²·K/W), докато R_cond (0,0002 m²·K/W за 1,5 mm стена) става значителен -- обикновено 30-50% от общото съпротивление. За ламинарен поток (Re < 2000), R_conv е значителен (0,002-0,01 m²·K/W или повече), но R_cond е само 2-10% от общото съпротивление. Дебелината на стената става основното съпротивление при прехода от турбулентно към ламинарен поток. Това се случва, когато R_conv < R_cond и се случва при скорости на потока от около 0,3-1,0 m/s за водоподобни течности, но значително по-високи за вискозни течности.

Връзката между режима на потока и топлинните съпротивления
Коефициентът на конвективен топлопренос, h, е пропорционален на Re^n, където n е около 0,8 за турбулентен поток и 0,33 за ламинарен поток. R_conv=1/ч. За титанов нагревател с 1,5 mm стена R_cond=0.0015 / 7.5=0.0002 m²·K/W. R_conv е равно на R_cond, когато h=5,000 W/m²·K. Използвайки обичайните корелации, тази стойност на h съответства на Re=5,000-10 ​​000 - долната граница на турбулентния поток за течности, подобни на вода. Под това R_{conv} > R_{cond} и конвекцията доминира. За число на Рейнолдс над това, R cond > R conv и дебелината на стената става основното съпротивление.

Вид на течността Вискозитет (cP) Скорост на потока за R_conv=R_cond (m/s) Типична скорост (1 m/s) Съответно Re Dominant Resistance
Вода (20 градуса) 1.0 0.3 – 0.5 7,500 – 12 500 Дебелина на стената (1 m/s, турбулентна)
Вода 80 градуса 0.35 0.2-0.3 5,000-7500 Дебелина на стените
Леко масло (30 cP) 30 1.5–2.5 500–800 (ламинарно) Конвекция (при 1 m/sec., ламинарно)
Средно масло (100 cP) 100 3.0-5.0 300-500 (ламинарен) Конвекция (ламинарен, 1 m/s)
Глицерин (50 градуса) 50 2.0-3.0 400-600 (ламинарен) Конвекция
Полимерна стопилка (1000 cP) 1,000 8-12 80-120 (ламинарна) Конвекция (дебелината на стената е незначителна)
Газ (въздух, 1 atm) 0,018 < 0,1 > 10 000 Дебелина на стената (страната на газа обикновено е доминираща)
Количествено определяне на разпределението на съпротивлението на режима на потока
Режим на поток Re Диапазон Типичен h (W/m2K) Rconv (m2.K/W) Rcond (1,5 mm Ti) Принос на дебелината на стената (% от R_totalHegemonic Resistance
Ламинарна (ниска скорост) < 1,000 100-500 0.002-0.010 0.0002 2-10% конвекция
Ламинарна (средна скорост) 1000-2,000 500-1,000 0.002-0.001 0.0002 10-20% конвекция
Преход 2000-5000 1000-2500 0.001-0.0004 0.0002 20-40% смесен
Турбулентен (нисък клас) 5,000-10,000 2,500-5,000 .0004-.0002 .0002 40-50% Смесен към стената
Турбулентна (висока) > 10,000 5,000-20,000 0.0002-0.00005 0.0002 50-80% Дебелина на стената
Ръководство за проектиране на нагреватели, базирани на режим на потока
Поток и условия на приложение Доминиращо съпротивление Число на Рейнолдс Метод на проектиране Дебелина на стената Влияние
Водонагревател, 2 m/s тръбен поток 50 000 (турбулентна) дебелина на стената (50-70%) Висока Минимизирайте t (използвайте 1,2-1,5 mm). Без предимство при полиране.
Резервоар за вода с разбъркване, силно смесване 10 000-50 000 Дебелина на стената Висока Използвайте по-тънка стена Тръбите с голям диаметър намаляват T ефекта.
Маслен нагревател, 0,5 m/s, 30 cP 500 (ламинарен) Конвекция (90-95 %) Незначително Дебелината на стената не е важна. Увеличете скоростта на потока или повърхността.
Polymer melt heater, low flow < 100 (laminar flow)Convection (>95%) Незначителна Дебелината на стената може да бъде увеличена с малки последствия. Дебела стена за здравина.
Газов нагревател (въздух, 10 m/s) > 10 000 (турбулентно) Дебелина на стената Висока (въпреки че газ-страната h ниска като цяло) Газовото отопление е ограничено от газовата -конвекция, независимо от стената.
Течност за пренос на топлина (5 cP), 1 m/sec 5 000-10 000 (преходен/турбулентен) Смесена среда Стандартна приемлива стена от 1,5 mm. Помислете за намаляване до 1,2 mm за по-голяма ефективност.
Инженерни последици за избора на дебелина на стената
For a turbulent flow regime (Re > 10,000) with a low Rconv, decreasing wall thickness will immediately improve heat transfer. Reducing t from 1.5 mm to 1.0 mm reduces Rcond by 0.000067 m2 .K/W, increasing U by 10-20% when Rconv is 0.0002-0.0004 m2 .K/W. For laminar flow (Re < 2,000) and R_conv >>R_стена, дебелината на стената няма ефект върху общия топлопренос. Титанов нагревател с дебелина 2,5 mm работи почти толкова добре, колкото и нагревател от 1,0 mm в приложения с ламинарно масло или стопилка на полимер. Практическото значение е, че за флуиди с висок вискозитет дебелината на стената на нагревателя трябва да бъде избрана въз основа на изискванията за механична якост и допустими корозионни свойства спрямо топлинните характеристики.

Заключения: Турбулентен поток (Re > 5 000-10 000) Правила за дебелина на стената
Когато режимът на потока е турбулентен (Re > 5 000-10 000) и R_conv е по-малко от R_cond, дебелината на стената на титановия нагревател е основното съпротивление на топлинния поток. За водо{16}}подобни течности (вискозитет ~1 cP това се случва, когато скоростите на потока са над 0,3-0,5 m/s. В тази среда намаляването на дебелината на стената от 1,5 mm на 1,0 mm увеличава общия коефициент на топлопреминаване с 10-20%. За ламинарен поток (Re < 2000), конвекцията доминира и дебелината на стената не е важна за по-дебели топлинни характеристики стените могат да се използват за механична якост без термични разходи. За титанов нагревател доставчикът ще се нуждае от вискозитета на течността, очакваната скорост на потока и диаметъра на тръбата, за да изчисли числото на Рейнолдс и да определи дали намаляването на дебелината на стената ще подобри топлинната ефективност или са необходими други промени в конструкцията (увеличен поток или повърхностна площ).