Основы теплопередачи (Михеев М.А.) (1013624), страница 51

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

Текст из файла (страница 51)

Таким образом экономичность работы теплообмеиных устройств может оцениваться тремя показателями — коэффициентом удержания тепла, характеризующим конструкцию ПОСТАНОВКА ВОПРОСОВ 295 5 421 теплообменника и в особенности качество его изоляции, к. н. д., характеризующим с количественной стороны степень использования тепла в системе теплообменных устройств, и показателем энергетической эа фективности термодийамического цикла в зависимости от места включения устройств в цикл.

Последний показатель дает основания для вьбора параметров рабочих жидкостей, т. е. по существу служит критерием правильности организации рабочего цикла. ГЛАВА ДЕСЯТАЯ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ УСТРОЙСТВ 42; ПОСТАНОВКА ВОПРОСА Для расчета и проектирования теплообменных аппаратов требуется иметь числовые значения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления, которые определяются по эмпирическим формулам. Но надежные эмпирические формулы имеются лишь для основных, наиболее распространенных случаев движения жидкости и теплообмена; они далеко не охватывают всего многообразия случаев, встречающихся в практике. Применение же в технических расчетах таких эмпирических формул или более или менее произвольных комбинаций из них, часто приводит к большим расхождениям с действительностью.

Главной причиной этих расхождений является то, что условия движения жидкости и теплообмена в действительных тепловых устройствах отличны от условий, наблюдавшихся в экспериментах, на основе которых получены эти эмпирические формулы. Обычно экспериментальные установки строятся так, чтобы движение рабочей жидкости происходило полным сечением с равномерным распределением скоростей, чтобы не было искусственных завихрений потока и т. д. В действительных же тепловых аппаратах условия движения и теплообмена в большой мере зависят от расположения поверхности нагрева, наличия поворотов и особенностей конфигурации каналов.

Подробное исследование различных теплообменных устройств показало, что распределение скоростей по сечению каналов, как правило, неравномерно, а за поворотами всегда образуются застойные пространства (мертвые мешки); следовательно, разные элементы поверхности нагрева работают в неодинаковых условиях. Если условия движения рабочей жидкости в аппаратах сравнить с условиями движения жидкости в лабораторных установках, то окажется, что между собой они не подобны. Поэтому законы теплообмена, полученные из опытов в таких идеализированных условиях, непосредственно переносить на МОЛЕЛИРОВЬНИЕ ТЕПЛОВЫХ ЕСТРОИСТВ 1гл 10 296 промышленные тепловые установки нельзя.

Механическое применение их приводит к неправильной оценке значений коэффициентов теплоогдачи и гидравлического сопротивления. Изучение занонов теплообмена, гидравлического сопротивления и нахождение эмпирических зависимостей, необходимых для расчета тепловых агрегатов, должно производиться на таких вкспери.кентальных установках. в которых геометрические, гидрэмеханические и тепловые условия были бы подобны таковым в действительных теплообменных аппаратах.

Итак, чтобы создать рациональную конструкцию какого- либо теплового устройства, в первую очередь необходимо иметь правильное представление о характере движения в ием рабочей жидкости, и для расчета сопротивления и теплообмена следует пользоваться такими зависимостями, в которых все особенности движения уже нашли свое отражение.

Знание законов движения позволяет конструктору создать наиболее совершенную конструкцию, а производственнику — эксплоатировать устройство с наибольшей эффективностью. Поэтому должны быть использованы все методы, могущие дать представление о движении жидкости и газов в аппаратах. Теория здесь бессильна, единственный путь разрешения этих вопросов, это в путь непосредственного эксперимента.

Чтобы выяснить влияние отдельных факторов на работу аппарата, можно произвести ряд подробных исследований его в эксплоатационных условиях. Такие исследования кропотливы, требуют большой затраты труда, времени и средств и не всегда дают надежные результаты. Кроме того, вследствие ряда технических трудностей, возникающих при испытании„и невозможности непосредственных измерений, многие стороны явления остаются совершенно неизученными. Такое положение вещей требует применения иных методов изучения конструкпии и работы промышленных аппаратов. Таким методом является метод моделей, который позволяет характер движения рабочей жидкости, гидравлическое сопротивление газоходов и теплообмен в них изучать на уменьшенных моделях.

При этом вместо изучения в аппаратах движения горячих газов в модели можно изучать движение холодного воздуха или воды. Модель можно изготовить с прозрачными стенками; в этом случае характер движения рабочей жидкости можно наблюдать визуально и фотографировать. При выполнении определенных условий моделирования движение жидкости в модели оказывается подобным движению горячих газов в образце. Условия моделирования вытекают из теории подобия (гм. 5 9). Впервые теория подобия к изучению тепловых аппаратов на моделях была применена академиком М.

В. Кирпичевым еще в 1923 г. За истекшие годы его школой была проведена хсловия ноделиговлния й 431 297 большая работа по разработке теории моделирования, ее экспериментальной проверке и практическому применению. В настоящее время метод моделирования является надежным и мощным средством, с помощью которого можно изучать работу как существующих, так и вновь проектируемых тепловых аппаратов. Последнее является его исключительным преимуществом. В Советском Союзе метод моделирования получил широкое признание и с большим успехом применяется во многих научно-исследовательских институтах, проектных бюро и промышленных предприятиях.

43. УСЛОВИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ "сс Из это~о соотношения можно определить скорость протекания м<идкости в модели: 1л там — — ц' о 1лс сь (а) Положим, что в модели и образце протекает одна и та же жидкость (тогда -'"-=1) и что модель построена в мас- сО 10 штабе '/, (то да ' =10). Подставляя эти значения в уравне1лс ние (з), получим, что нслс = 10. н м Это значит, что для удовлетворения условия (!) в рассматриваемом случае лм (когда -=1) скорость жидкости в модели надо не умень'о шзть, а увеличивать во столько раз, во сколько уменьшены Попыток наблюдать движение рабочей жидкости в промышленных аппаратах на уменьшенных моделях было сделано много, но при построении их никогда не соблюдались условия, необходимые для того, чтобы картина движения в модели получалась подобной картине движения в образце.

Поэтому на основе изучения моделей часто приходили к ошибочным выводам. Обычно в опытах с моделями слишком малой бралась скорость движения жидкости, она уменьшалась в соответствии с уменьшением геометрических размеров. Чтобы картины движения жидкостей в модели и образце в точности соответствовали одна другой, долзкно быть выполнено основное условие моделирования — равенство чисел Рейнольдса в сходственных точках образца и модели, т. е.

гга,= )са„, или мь1~ асм1лс модклиговлник ткпловых гстгояств [г. кь 298 геометрические размеры модели. Если же условие (1) не выполняется, то картина движения может получиться резко отличной от действительной. Правильная картина движения жидкости и соответствующие закономерности гидравлического сопротивления и теплообмена могут быть получены только в моделях, рассчитанных по пр ~вилам моделирования, обеспечивающих подобие явлений в образце и модели.

При этом необходимыми и достаточнымн условиями теплового подобия являются следующие: 1) геометрическое подобие; 2) подобие условий движения жидкости при входе; 3) подьбие физических параметров в сходственных точках модели и образца (постоянство отношения плотностей, коэффициентов вязкости и др.); 4) подобие температурных полей на границах; 5) одинаковость значений определяющих критериев гге и Рг при вынужденном и Ог Рг при свободном движении жидкости. При этом одинаковость определяющих критериев подобия достаточно установить в каком-либо одном сходственном сечении. Точное ос1ществление всех условий моделирования настолько затруднительно, что может быть выполнено лишь в редких случаях.

По тому 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 Рейнольдса Ре, формой канала и относительной длиной пройденного участка пути. В случае тождественности этих факторов распределение скоростей получается подобным.

С увеличением )ге вначале распределение скоростей изменяется очень сильно, но затем замедляется и, наконец, остается постоянным. Независимость характера движения от Ие называется явлением автомодйльности. В области авто- модельного движения жидкости условие подобия Йе=Иеш можно не соблюдать, что сильно 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.

Характеристики

Список файлов книги