Основы теплопередачи Михеев М.А, Михеева И.М. (1013622), страница 53

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 53)

е. Ке, = Яе„, или в,1,/ч,=ш„1„/м„= 1дегп (одно и то же). (9-1) Из этого соотношения можно определить необходимую скорость протекания жидкости в модели Го мм ы =ш м о /м оо (а) Положим, что в модели и образце протекает одна и та же жидкость (тогда мм/то = 1) и что модель построена в масштабе 1/1О (тогда 1,/1„= 10).

Подставляя это значение в уравнение (а), получим, что ш„=- 10 ш,. Это значит, что для удовлетворения условия (9-1) в рассматриваемом случае скорость жидкости в модели надо не уменьшать, а увеличивать во столько раз, во сколько уменьшены геометрические размеры модели. Если же условие (9-1) не выполняется, то картина движения может получиться резко отличной от действительной. Правильная картина движения жидкости и соответствующие закономерности гидравлического сопротивления н теплообмена могут быть получены только в моделях, рассчитанных по правилам моделирования, обеспечивающих подобие явлений в образце и модели.

При этом необходимыми и достаточными условиями теплового подобия являются следующие: 1) геометрическое подобие; 2) подобие условий движения жидкости при входе; 3) подобие физических свойств в сходственных точках модели и образца (постоянство отношения плотностей, коэффициентов вязкости и др.); 4) по- 275 добие температурных полей на границах; 5) одинаковость значений определяющих чисел подобия (критериев подобия) Ре и Рг при вынужденном и бг и Рг при свободном движении жидкости. При этом одинаковость чисел подобия достаточно установить в каком-либо одном сходственном сечении. Точное осуществление всех условий моделирования довольно сложно и может быть выполнено лишь в редких случаях.

Поэтому была разработана методика приближенного моделирования движения газов и жидкости и явлений теплообмена в аппаратах. Приближенное моделирование оказалось возможным благодаря особым свойствам движения вязкой жидкости: стабильности и автомодельности. Явлением стабильности называется свойство вязкой жидкости при движении принимать вполне определенное распределение скоростей. Это распределение определяется значением числа Ке, формой канала и относительной длиной пройденного участка пути.

В случае тождественности этих факторов распределение скоростей получается подобным. С увеличением Ке вначале распределение скоростей изменяется очень сильно, но затем замедляется и, наконец, остается постоянным. Независимость характера движения от Ке называется явлением автомодельности. В области автомодельного движения жидкости условие подобия Ке =!4еш можно не соблюдать, что облегчает проведение эксперимента.

В сложных каналах автомодельность наступает очень рано, при этом значение коэффициента гидравлического сопротивления становится постоянным, что может служить одним из признаков наступления автомодельности. Покажем теперь, как вышеперечисленные условия моделирования осуществляются практически. П е р в о е у с л о в и е. Геометрическое подобие всегда может быть выполнено построением модели по конфигурации, точно копирующей образец.

Конечно, здесь имеется в виду не внешняя форма изучаемого агрегата, а внутренняя конфигурация каналов, по которым движутся газы и жидкости. В т о р о е у с л о в и е. Подобие условий входа жидкости также всегда может быть выполнено путем устройства входного участка геометрически подобным входному участку образца. На основе свойства стабильности этого вполне достаточно, чтобы условия движения жидкости при входе в модель и образец были подобны между собой.

Т р е т ь е у с л о в и е. Подобие физических свойств р, р, Х и с при моделировании тепловых аппаратов является наиболее трудно выполнимым условием. Согласно этому условию необходимо, чтобы во всех сходственных точках образца и модели отношение соответствующих физических свойств было постоянно. Если в образце движение жидкости или газа протекает изотермически, т. е. в пределах исследуемого аппарата температура их не меняется, тогда для любой рабочей жидкости в модели это условие удовле- зта творяется всегда, лишь бы движение и здесь протекало изотермически. При изменении температуры значения физических свойств меняются. В таких случаях для удовлетворения условий подобия необходимо, чтобы в модели и в образце физические свойства изменялись подобным образом.

Однако осуществить это подобие в полном объеме невозможно. Поэтому при вынужденном движении жидкости третье условие подобия соблюдают лишь приближенно, осуществляя в модели изотермический процесс движения (соответствующий какой-то средней температуре рабочей жидкости в образце). Ч е т в е р т о е у с л о в н е.

Подобие температурных полей на границах в полном объеме осуществить также очень трудно. Поэтому обычно применяется приближенный метод локального теплового моделирования. Особенность этого метода заключается в том, что подобие температурных полей осуществляется лишь в том месте, где производится исследование теплопередачн, и опыт проводится при таких условиях, когда условия механического подобия в этом месте выполнены.

В применении к трубчатым парогенераторам это значит, что теплопередача изучается последовательно для каждой трубки в отдельности. Таким образом, исследуя одну за другой все трубки модели парогенератора, очевидно, можно получить как суммарный результат показатели теплообмена для всего агрегата в целом. П я т о е у с л о в и е. Условие одинаковости в образце и модели определяющих чисел подобия, как и третье, является точно выполнимым лишь в случае изотермического движения, а для тепловых аппаратов оно может быть выполнено лишь приближенно. При изучении характера вынужденного движения жидкости должно быть соблюдено только условие Ке = Ыеш; в случае автомодельности это условие отпадает.

При изучении теплообмена при вынужденном движении должны быть соблюдены условия Ке =- !беш и Рг = !деш. При изучении теплообмена при свободном движении жидкости необходимо соблюдение условий Ог = Ыегп и Рг = Ыеш. Р.З. ПРИМЕРЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ Для иллюстрации применимости метода моделей к изучению работы промышленных тепловых аппаратов ниже приведены два примера. 1. Одним из первых построенных в СССР воздухоподогревателей был подогреватель П-образного типа. После его изготовления оказалось, что по воздушной стороне гидравлическое сопротивление огромно — в 2,5 раза больше расчетного. Для выяснения причины этого явления на заводе было предпринято специальное исследование.

Оно заключалось в определении поля скоростей и поля статических давлений по ходам воздухоподогревателя. Результаты одного из таких опытов приведены на рис. 9-1, где нанесены кривые 277 распределения скоростей в отдельных сечениях нагревателя.

Значение и направление скорости указаны стрелками. Эти опыты дают полное представление о характере движения воздуха в элементе. Из рассмотрения рисунка видно, что воздух движется не полным сечением канала, в местах поворотов имеются застойные места— мертвые мешки, сильно сужающие живое сечение канала. Поэтому и гидравлическое сопротивление агрегата должно быть значительно выше, чем по расчету. При средней скорости ш, = 11,2 м/с оно оказалось равным около 1,6 1О' Па, в то время как по расчету должно было быть равно 0,7 1О' Па.

Одновременно было проведено исследование работы воздушного подогревателя на водяной модели. Последняя была изготовлена в 1/5 натуральной величины с боковыми стенками из зеркального стекла. На такой модели были изучены условия движения воздуха в элементе нагревателя и измерено его гидравлическое сопротивление. Проведенное исследование показало полное совпадение характера движения воды в модели с характером движения воздуха в образце (см.

рис. 9-2 и ср. его с рис. 9-1). В поворотах и углах получаются застойные места. Они особенно велики в правом верхнем углу первой половины нагревателя и правом нижнем углу второй половины — за перегородкой. Благодаря поворотам движение жидкости происходит неполным сечением, н вследствие этого получается значительно .увеличенное гидравлическое сопротивление канала. Гидравлическое сопротивление элемента на водяной модели было исследовано при различных значениях числа Ке.

Результаты опытов в логарифмических координатах нанесены на рис. 9-3, где по оси абсцисс отложены значения числа ме, а по оси ординат— числа Еп. Согласно теории линии 1 и 2 должны совпадать, и практически они совпадают, ибо расхождение между ними меньше 10%, что можно отнести за счет ошибок измерений в опытах с образцом. Если по данным, полученным из опытов с моделью, подсчитать сопротивление образца, то получаем, что при йе )4 1О' Лр = = 1,7 10' Па.

По расчету при проектировании сопротивление газохода было оценено в 0,7 10' Па, а по опытам на образце оно оказалось равным 1,6 10' Па. Дальнейшие опыты с моделью были проведены с целью изыскания условий для уменьшения гидравлического сопротивления. По предложению акад. М. В. Кирпичева в поворотах были установлены направляющие лопатки. При наличии последних условия движения резко меняются.

Вместо беспорядочного движения с образованием застойных зон в этом случае жидкость движется параллельными струями (рнс. 9-4). Такое упорядочение движения сказалось на сопротивлении подогревателя — оно резко уменьшилось (см. линию 3 на рис. 9-3). В пересчете на образец сопротивление элемента с направляющими лопатками равно лишь 0,6 1О' Па.

Таким 278 1а В Рис. 9-1. Спектры скоростей воздуха в П-образном воздухоподогревателе, замеренные на образце при ю = 11,4 и/с. Рис.9-3. Сопротивление воздунм ного подогревателя. 1 -по опытам на водяной модели; Г— па опытам нв обраане с воздухом; 3 по опытам на водяной модели с на. правлявщими лопатяеми. Рис. 9-2.

Характер движения воздуха в П-образном воздухоподогревателе по опытам на водяной модели. Рис. 9-4. Характер движения воздуха при наличии в поворотах направляющих лопаток — по опытам на водяной модели. образом, установка направляющих лопаток в поворотах позволила почти в 3 раза снизить сопротивление подогревателя и вместе с этим значительно улучшить его работу как теплообменного аппарата. 2. В качестве второго примера приведем результаты опытов по изучению теплопередачи. Так как метод моделей должен характеризовать действительные условия работы агрегата, учитывая все особенности его конструкции, то результаты опытов на модели нужно сопоставлять не с расчетными данными, а с данными эксплуатационных испытаний. Поэтому для доказательства применимости метода моделирования для изучения тепло- передачи объектом исследования был выбран хорошо изученный в эксплуатационных условиях вертикальный водо- трубный парогенератор системы Гарбе с поверхностью дар грр Рис.

Характеристики

Список файлов книги