روابط انتقال گرماي جابجايي اجباري براي سمت جريان يك فاز در مبادله كن هاي گرما

 مقدمه

در اين فصل ، روابط توصيه شده براي سمت جريان يك فاز [1] ( يا سمت هاي يك فاز ) در مبادله كن هاي گرما ، ارائه شده اند . در بسياري از مبادله كن هاي گرما با جريان دو فاز ، از قبيل ديگهاي بخار ، مولدهاي هسته اي بخار ، چگالنده هاي نيروگاهي ، و تبخير كننده ها و چگالنده هاي مورد استفاده در تهويه مطبوع و تبريد ، جريان در يك سمت ، يك فاز است ، در حاليكه در سمت ديگر ، جريان دو فاز مي باشد . عموماً سمت جريان يك فاز ، مقاومت گرمايي بزرگترين بويژه با جريان گاز يا روغن ، نشان مي دهد . در اين فصل مروري جامع در روابط موجود براي جريان آرام و آشفته سيال هاي نيوتوني يك فاز در مجراهاي با مقطع دايره اي و غير دايره اي ، با يا بدون اثر تغييرات خواص فيزيكي انجام شده است . تعداد زيادي از روابط تجربي و تحليل ، براي محاسبه ضرايب انتقال گرما و ضرايب اصطكاك جريان هاي آرام و آشفته در مجراها و از ميان دسته لوله ها ، در دسترس هستند .

روابط انتقال گرماي جابجايي اجباري [2]  آرام و آشفته براي سيالهاي يك فاز ، دسته مهمي از حل مساعل انتقال گرما را براي كاربردهاي مبادله كن گرما ارائه مي كنند . هنگاميكه سيال لزجي وارد مجرايي مي شود ، لايه مرزي [3] در طول ديواره ، تشكيل خواهد شد . لايه مرزي بتدريج در كل سطح مقطع مجرا توسعه مي يابد و از آن به بعد ، به جــــريان، جريان كاملاً توسعه يافته گفته مي شود . به فاصله اي كه در طي آن ، سرعت ، كاملاً توسعه يافته مي شود ، طول ورودي هيدروديناميكي  ( Lhe ) گويند . هر جند بصورت نظري ، نزديك شدن به نمودار توزيع سرعت كاملاً توسعه يافته است ، به شكل مجانبي است و تعيين محلي معين ، كه در آنجا لايه مرزي در مجرا كاملاً توسعه يافته است ، غير ممكن مي باشد ، با اينحال براي تمام كاربردهاي عملي ، طول ورودي هيدروديناميكي ، محدود است . اگر ديواره هاي مجرا گرم يا سرد شوند ، لايه مرزي گرمايي نيز در طول ديواره مجرا توسعه خواهد يافت . در نقطه اي معين در پايين دست جريان ، مي توان در مورد نمودار توزيع دما كه كاملاً توسعه يافته است صحبت نمود كه در آن نقطه ، ضخامت لايه مرزي گرمايي تقريباً نصف قطر سطح مقطع مي باشد . مسافتي كه در طي آن نمودار توزيع دما ، كاملاً توسعه يافته مي شود ، طول ورودي گرمايي ( Lte )  ناميده مي شود .

اگر گرمايش يا سرمايش ، از ورودي مجرا شروع شود ، هم نمودار توريع سرعت و هم نمودار توزيع دما به صورت همزمان توسعه مي يابند . مسأله انتقال گرما در اين شرايط ، به مسأله طول ورودي هيدروديناميكي و گرمايي مركب يا مسأله ناحية توسعة همزمان منجر مي شود . بنابراين چهار حالت در جريان عبوري از مجراها ، با گرمايش يا سرمايش وجود دارد ، كه عبارتند از ، حالت كاملاً توسعه يافتة هيدروديناميكي و گرمايي ، حالت كاملاً توسعة يافته هيدروديناميكي ولي در حال توسعة گرمايي ، حالت توسعه يافتة گرمايي ولي در حال توسعة هيدروديناميكي ، و حالت توسعة همزمان ، بطوريكه روابط طراحي بايد مطابق با اين دسته بنديها ، انتخاب شوند .

نرخهاي نسبي توسعة نمودارهاي توزيع سرعت و دما در ناحيه ورودي مركب ، به عدد پرانتل سيال بستگي دارد . براي سيالهاي داراي عدد پرانتل بزرگ از قبيل روغنها ، با اينكه نمودارهاي توزيع سرعت و دما در ورودي لوله يكنواخت هستند ، نمودار توزيع سرعت ، بسيار سريعتر از نمودار توزيع دما به حالت توسعه كامل مي رسد . در مقابل ، براي سيالهاي داراي

1- Single - phase

2- Forced convection

3- Boundary layer