Основы теплопередачи (Михеев М.А.) (1013624), страница 14
Текст из файла (страница 14)
26 представлена типовая картина движения нагретого воздуха вдоль вертикальной трубы. Здесь налицо все три режима движения — на нижнем участке ламинарный, на среднем локонообразный и на верхнем вихревой. Преобладание одного режима перед другим определяется температурным напором — при малом (М ( 15' С) преобладает ламинарный режим, при большом ( лг ) 15' С)— вихревой. Однако, на нижнем участке трубы длиной 0,2 — 0,3 м ламинарный режим сохраняется и при больших температурных напорах. 76 ткплоотдлчл пни свонодноы движкиин !г.
а. роль. Здесь большее значение имеет протяженность поверхности, вдоль которой происходит движение нагретого воздуха. Движение среды около нагретых горизонтальных плоских стенок или плит имеет совсем другой характер и в сильной мере зависит от положения плиты и ее размеров. Если нагретая поверхностьобращена кверху, то движение протекает по схеме а (фиг. 28). Если же при этом плита имеет большие размеры, то вследствие наличия с краев сплошного потока нагретой жидкости центральная часть плиты оказывается изолированной.
Ее вентиляция происходит лишь за счет притока холодной жидкости сверху (фиг. 28, б). Если нагретая поверх- ность обращена вниз, н ! то движение протекает по 1~ ) ! Н ) схеме в (фиг. 28); в этом случае движется лишь а) тонкий слой под поверх- иа-='--- жил м а) Ю) са жидкости ниже этофиг. эв. Характер своенлиого движении го слоя остается иеподжидкости около нагретых горизонталь- вижиой. ных плит.
Для тонких проволочек (Ы= 0,2 — 1 лен) условия развития свободного движения несколько иные. Так как поверхность проволоки мала, то и количество передаваемого тепла незначительно. Поэтому здесь ламинарный режим движения сохраняется и при болыпих температурных напорах. При малых же температурных напорах вокруг проволочки образуется почти неподвижная пленка нагретого воздуха; это особый, так называемый, пленочный режим !94!.
Выше были описаны условия свободного движения в большом (неограниченном) пространстве, где протекало лишь одно явление, например нагрева жидкости. Охлаждение же жидкости при этом происходило где-то вдали и оно никак не влияло на протекание рассматриваемого явления. В малом (ограниченном) пространстве явления нагревания и охлаждения жидкости протекают вблизи друг друга и разделить. их невозможно, поэтому весь процесс необходимо рассматривать в целом.
Вследствие ограниченности пространства и наличия восходящих и нисходящих потоков условия движения здесь сильно усложняются. Они зависят как от формы и геометрических размеров пространства, так и от рода жидкости и интенсивности процесса теплообмена. Подробнее эти процессьг рассмотрены в 5 13. Описанные условия свободного движения жидкости справедливы для любого газа и любой жидкости как при нагревании, так и охлаждении.
В общем эти условия довольно сложны н своеобразны, и изучены они еще далеко не достаточно ,з 1З1 ткплоотчлча в нкогганичкнном пгосттанствк 77 12. ТЕПЛООТДАЧА В НЕОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ Процесс теплообмена при свободном движении жидкости имеет очень широкое распространение. В быту он наблюдается при нагреве помещений от печей и отопительных приборов, при нагревании воды и варке пиши, а в технике при нагревании воды в паровых и нарочных котлах, при охлаждении паропроводов, обмуровки паровых котлов, промышленных печей и других тепловых устройств. В силу большого практического зна- ез чения рассматриваемая проблема давно привлекает к себе внимание исследователей.
Начиная с 80-х годов прошлого столетия, проведено большое количество как теоретических, так и экспериментальных исследований. Аналитические решения задачи выпол- Ъ иены при целом ряде упрощающих предпосылок. Последние далеко не отвечают действительным условиям протекания процесса, поэтому эти решения практического значения не имеют.
Все наши знания по механизму и закономерностям протекания процесса в основном базируются на эксперименте. Довольно большие исследования были произведены со- ~в ветской школой акад. М. В. Кирпичева. фнг. 2З. Изменение Отличительная особенность этих иссле- коэффннненга теплодований в том, что они, как правило отдачипРнсвободнем движении воздуха по сопровождались визуальным наблюде высоте тРубы н связь нием характера движения жидкости.
Па- этого изменения с хараллельное изучение количественной и Ра«теРем д'нженн". качественной сторон процесса представляет большое преимущество, позволяя установить -физический смысл получаемых зависимостей. Именно таким образом была установленасвязь между теплоотдачей и режимом движения [35[.
Для вертикальной трубы эта связь представлена на фиг. 29. На участке ламинарного движения коэффициент теплоотдачи по высоте трубы убывает, на участке локонообразного движения остается постоянным и на участке турбулентного движения также остается постоянным, но значительно выше по значению. Такое изменение коэффициента теплоотдачи по высоте обусловливается наличием ламинарной пленки, которая затем разрушается. 1. Обобщение опытных данных.
По теплоотдаче при свободном движении жидкости в литературе имеется большое количество данных, полученных из опытов с воздухом, !гл в теплООТДАИА пги сВОБОднОм дВижении 78 водородом, углекислотой, водой, анилином, глицерином, четыреххлористым углеродом, различными маслами и др. Объекты исследования при этом были самые разнообразные— горизонтальные и вертикальные проволоки„трубы, плиты и шары. Размеры их варьировались в широких пределах, а именно: диаметр проволок и труб изменялся от 0,015 до 245 лтм, диаметр шаров †30 лем до 16 ле и высота плит л -- гУРР.Рбв Фиг.
30 Теплоотдача пои свободиом движеиии жидкости для рааличиыд тел. и труб от 0,25 до 6 ле С газами опыты проведены в широком диапазоне изменения давления — от 0,03 до 70 ат. Все эти д нные автором были между собой сопоставлены и обобщены 161]. Результаты такой обработки представлены на фиг. 30, где по оси абсцисс нанесены значения !и (Ог Рг), а по оси ординат значения !о 1чи . При вычислении критериев подобия за определяющий геометрический размер, входящий в качестве линейного размера в критерии подобия, лля труб и шаров принят их диаметр 1т', а для плит их высота л.
В качестве определяющей температуры принята средняя температура пограничного слоя 1 = — ~8 +Гг), где 1— 1 / темвература стенки и ~,— температура жидкости (среды) иа 51о1 ткплопкткдлчл в нкогглничкнном пгостклнствк 79 большом удалении от нагретого объекта (вне зоны, охваченной процессом). Как видно из фигуры, данные всех опытов хорошо укладываются на одну общую кривую. Чтобы не уменьшать масштаба, эта кривая по оси абсцисс разорвана на три участка, кг ч ат о, б -г б аа 4 б б Гб М гор .л-,/„ Фиг. 31.
Теплоотдача при свободном движении|жидкости длв различных тел. /т/я т в/0г Рг)", причем постоянные б и и в уравнении (1) для огдельных участков различны и являются функцией аргумента (Ог.Рг). Их значения приведены в табл.5. Трем основным режимам Таблица б свободного движения жидко- значения с и и в формуле (11 сти соответствуют три закона теплоотдачи.
Пе вый о ин яа (от Рт)н 1 Р закон — степени соответ- 8 ствует чисто ламинарному режиму движения при малых температурных напорах.Вто- 1 рой закон — степенисоответ- 4 1 ° 10-а — 5 10+в 5 10в — 2 10т 2 10т — 1 ° 101а 1,18 0,54 0,135 1/8 1/4 1/3 ствует интенсивному ламина рному и локонообразному движениям при средних температурных напорах; этот переходный режим является наиболее распространенным.
Третий закон — степени 3 соответствует вихревому режиму. из которых последние два смещены влево и расположены над первым. Вся кривая целиком, но в меньшем масштабе и без опытных точек представлена на фиг. 31. Полученную кривую с достаточной степенью точности можно разбить на три прямолинейных участка. Последнее означает, что зависимость между критериями подобия может быть представлена степенной функцией вида: теилоотдАчА пги сВОБОЦЯОм дВижении 1г~ е Переход от одного закона' к другому происходит довольно плавно и каждый из них охватывает значительно большую область изменения агрумента, чем это указано в таблице. Однако, это обстоятельство определяется различием условий развития процесса и наличием внешних возмущающих обстоятельств, имевших место во время проведения опытов.
При (бт Рг) <"!О а Ми =0,5 и остается постоянным, откуда а= — 0,5 Х/Ы, т. е. теплоотдача полностью определяется теплопроводностью среды. Такая закономерность справедлива, повидимому, только для пленочного режима. Тот факт, что данные, полученные нз опытов с различными жидкостями и телами разнообразной формы и самых различных размеров, в обобщенных координатах укладываются на одну общую кривую, позволяет сделать следующие выводы: а) Для процесса теплоотдачи при свободном движении жидкостей, для которых Рг)0,7, определяющим критерием подобия является комплекс (бт.Рт).
б) Форма тела в рассматриваемом процессе имеет второстепенное значение. Режим движения жидкости и теплообмена определяется в основном не формой тела, а температурными условиями — температурой тела 1, температурным напором б! и тепловым напряжением поверхности теплообмена и. в) Поскольку определяющий геометрический размер входит в критерий Ми в первой степени, а в критерий Ог в 1 кубе, то в области закона —, степени процесс теплообмена от геометрических размеров не зависит — авиолодвлек.
Последнее позволяет изучать процесс на уменьшенных моделях. При этом необходимо только, чтобы в моделях значение комплекса ОЕ.Рг было больше 2 10'. Возможность изучать теплообмен при свободном движении жидкости на моделях имеет большое практическое значение (см. гл. 10). 2. Расчетные формулы теплоотдачи. Приведенная выше формула 11) со значениями постоянных в табл. 5 применима для любых кзпельных и газообразных жидкостей и для тел любой формы и любого размера. Эта же формула может' быть применена и для расчета теплоотдачи горизонтальных плит !1031. В этом случае за определяющий размер берется не высота, а меньшая сторона плиты.
Zри этом, если тепло- отдающая поверхность обращена кверху, то полученное из формулы значение коэффициента теплоотдачи на ЗОЯ увеличивается; если же теплоотдаюшая поверхность обращена книзу,— на ЗОЯ уменьшается. !21 ТЕПЛООТДАЧА В НЕОГ1АНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ 81 Если формулу (!) развернуть и представить в размерном виде, то получим: (2) 1,Г и Подставляя в уравнение (2) значения с и и из табл.
5, Получим частные формулы теплоотдачи, которые так же точны, как и формула (1), но для практических расчетов более удобны. 1. Для проволок при (с«г Рг),. =10 е —: 5 10' а= 1,18(РКРТ )ч' —,—, ( —,) '=А,( — ) ' = (3) 2. Для труб, сфер и вертикальных плит при (Ог.РТ) 5 10« —:2 10«: а=0,54ЯаРТ„,)ч,, ( — ) '=А,( — ) 3. То же при (Ог Рг) )2 10«: а = 0,135 ЩРТ )Ч* -,"! — -"Атц = Ае. МЧ .
(5) Для выбора формулы (3 — 5) знать точное значение аргумента (Ог Рт) не требуется; достаточно иметь лишь порядок его величины. Коэффициенты А являются функцией температуры и для любой жидкости легко могут быть вычислены из следующих соотношений: А, = 1,18 ЯаРт )п - —;; —, «,ил Аг = 0 54 фй'Рг ) ч' —,—, «ь' Аз = 0 135 Дй'Рг ) ь ' где !« — коэффициент объемного расширения, 1/'С; для воз! духа 8= т ,' у — ускорение силы тяжести, м/сек', б М. А Михеев.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
