I. «Ленивый» слой жидкости у стенки
Как ни быстр основной поток, у самой стенки скорость жидкости стремится к 0; область от стенки до восстановления скорости основного потока называется пограничным слоем. Конвективная теплопередача происходит в основном в этом тонком слое — ведь внутри него она почти целиком опирается на теплопроводность, а у жидкости она плохая (воздух λ≈0,026), поэтому пограничный слой — главное термическое сопротивление теплопередачи.
II. Число Рейнольдса Re: упорядочен поток или хаотичен
Число Рейнольдса определяет режим течения:
Re = ρ·v·L / μ
Для трубного течения приблизительно: Re < 2300 — ламинарное, Re > 4000 — турбулентное, между ними — переходная зона. При ламинарном течении пограничный слой толстый и теплопередача слабая; при турбулентном жидкость бурно перемешивается и слой «разрывается в тонкий», термическое сопротивление резко падает.
III. Турбулентность сильнее, но дороже
| Состояние | Коэф. теплоотдачи h | Перепад давления | Применимость |
|---|---|---|---|
| Ламинарное | Низкий | Малый | Высоковязкие, хрупкие материалы, малоэнергетические сценарии |
| Турбулентное | Высокий | Большой | Подавляющее большинство промышленного теплообмена |
Гофрированные пластины пластинчатого теплообменника по сути искусственно создают возмущение потока и вызывают локальную турбулентность, обменивая контролируемый перепад давления на более высокий h. Суть проектирования: в рамках бюджета перепада давления достаточно нарушить пограничный слой.
IV. Три инженерных вывода
- Не делайте канал слишком гладким: Прямые трубы плохо передают тепло; подходящий гофр, рёбра и турбулизирующие вставки заметно повышают эффективность;
- Согласуйте Re сторон: Одна сторона турбулентная, другая ламинарная — всё тащит ламинарная сторона;
- Зола бьёт сначала по пограничному слою: Налипание золы сужает канал и меняет Re, ухудшая одновременно и теплопередачу, и перепад давления; регулярная очистка бережёт здоровье пограничного слоя.
Искусство теплообменника — наполовину в расчёте K, наполовину в «возне» с пограничным слоем.