Глава IX. Особенности конвективного теплообмена в каналах (1013634), страница 2
Текст из файла (страница 2)
определяющее порождение турбулентности. 224 еа/аа г,р и ра, !Рггд) а/ у/,г 3/ ад 13 0,5 и г! (9.10) КП = ХПО (Ры/)45) На рис. 9.1 показаны типичные изменения скорости, массовой 1,0 скорости ри„, температуры и плот- у ности теплового потока по ра- 0.5 рд днусу трубы при ламинарном течении масла МС-20 в условиях нагрева (кривые 1 и 2) и в условиях охлаждения (кривые д и 4).
Как видно, при нагреве, когда температура масла растет от 4 оси к стенке, а вязкосгь. наоборст, ПадаЕт (ры/рг) К. 1, ПрОфИЛЬ скорости становится более заполненным (кривые ! и 2) вследствие того, что касательное напряжение т = р (ди„/д«) изменяется линейно по радиусу трубы от ты на стенке до нуля иа оси При на- ( .- г греве, несмотря на некоторое уменьшение плотности масла с ро- 1 етом температуры, профиль массовой скорости ри„ тоже становит- Х ся более заполненным.
Теплоем- га 35 и кость ср капельных жидкостей а) «/«а при нагреве изменяется мало, Рнс. 9.!. Рвслредеггенне свойств маса у масла даже немного растет. лв ло радиусу трубы лрн лвмнСледовательно, количество тепла, о — температуры; 6 — скоростн; а— ПЕреНОсиМОЕ жидКОстЬЮ С Ринг масс скоросгн; а — плотностн ~еплоПротсиа1ощей Оксдо стевин Прн ного потока !Га в о, — анаесння на осн трусы!; 1 .. 4 — р /рг 0.163: НаГрЕВЕ ВОЗраСтаЕт, ЧтО упуЧШавр 0,460; 3,33; 61,3 соотвгатственно; СЪЕМ гряда. ПОЭТОМУ раенрсдЕЛЕ- — постоеваыефнэнсеские свой. ства ние удельного теплового потока по радиусу приближается к линейному, а профиль температуры становится более заполненным.
При охлаждении (р /рг) . 1 картина будет существенно отличной (кривые д и 4) в силу обратного изменения упомянутых свойств. В ламинарном потоке влияние изменения вязкости на теплообмен мало зависит от характера температурного граничного условия по длине трубы. Это влияние почти одинаково при Т = сопзй и Ч„=- сопз1 и в первом приближении может быть учтено за- висимостью где и = 0,14 ... 1,16; Хп соответствует определению теплофизических свойств среды при осредненной температуре Т ! = о (Т + Тг), а Хпо — при постоянных физических свойствах (малые значения Т вЂ” Тг). 3 Авлуевсквй йлб При турбулентном течении капельных жидкостей качественно картина изменения профилей скорости и других параметров напоминает рнс.
9.1. Как в ламинарном, так и в турбулентном потоках при нагреве теплоотдача растет, а сопротивление падает. При охлаждении — наоборот. По данным эксперимента для турбулентного течения в диапазоне значений р /и~ = 0,08 ... 40; Ве = 1О' ... 1,25.10'; Рг = =- 2 ...
140 й(п~/1(п„= (р„/рт) — ", где и = 0,11, при нагрузке и л = 0,25 при охлаждении. Гидравлическое сопротивление в диапазоне 1ь /м~ —— 0,3 ... 2; Ре = 10' ... 3 10' и Рг = 1,3 ... 10 можно рассчитывать при нагреве капельных жидкостей (р /рз ( 1) по зависимости Ю. =1- —,' (1+В)" 12(1+В), где В = (рт/р — 1) (рз/р )е "; п = 0,17 — 2 1О' + 1800/Ке', а при охлаждении (р„/р~ ) 1) по рекомендации Б.
С. Петухова $~/$0 = (И /рд'м. 9.2,2. Газы Кривые изменения по радиусу скорости и других параметров при ламинарном течении газов качественно аналогичны кривым на рис. 9.1, но по эффекту нагрев у газов совпадает с охлаждением капельных жидкостей, а охлаждение — с их нагревом. Различное протекание кривых для газов и жидкостей объясняется противоположным характером зависимости вязкости от температуры.
У двухатомных газов, как показали численные расчеты, влияние всех физических свойств прн ламинарном течении с хорошим приближением может быть учтено введением в уравнениях (9.8) и (9.9) лишь одного температурного фактора. В турбулентном течении газов изменение теплофизических свойств, особенно плотности, существенно влияет на интенсивность порождения турбулентных пульсаций — ри„'и,' (ди„/ди„).
Порождение турбулентных пульсаций, т. е. переход кинетической энергии осредненного потока в кинетическую энергию турбулентных пульсаций, происходит, главным образом, около стенки и определяется в трубе произведением турбулентного касательного напряжения — ри,'и,' на градиент осредненной скорости ди„/ди„, т. е, членом — ри'и,' ди„/дг. Характер изменений профилей температуры, скорости, плотности теплового потока, массовой скорости и коэффициента турбулентного переноса импульса при нагреве и охлаждении воздуха в трубе по данным численного расчета представлен на рис.
9.2. 226 е«,!а ба г(п! = 0,022а! Ке!'~ Рг~!' Х вЂ” ( е,нз-~-! ( — ) са — ) 1 Х (с /с !) () „,%!) (Т 7Т!) ~ ), (9.11) где влияние расстояния от начала обогрева учитывается двумя поправками: ) (х(«() и е, = 1 + ', ехр ( — 0,17х«с!). О,ьз (хдй ' и! учитывает большее значение теплоотдачи на участке тепловой стабилизации длиной (20 ... 25) !1, имеющее место и при маломе- 227 При нагреве газа Т 7Т!>! (г ' Я г) рн«(р«н««) плотность его около стенки г падает, что снижает интен- аа сивность порождения турбу- 42, -' +- ~ лентности и значение турбулентной теплопроводности 2,„.
зато )с около стенки возрастает. Поэтому тепловое со- а противление тонкого слоя '«!и около стенки (где !с ) д,) уменьшается, а всего остального потока (где)с((2„) воз- йд га растает. Уменьшению р спо- аа !аа собствует также ускорение потока газа. и Доля тепла, воспринимаемая газом, протекающим око- аа за ло стенки (где )с ) 1,), во- а обще не велика, а из-за па- ' г дения плотности при нагреве и аг 24 йа (!-гУч она становится еще меньше. дт Этот тонкий слой газа около стенки при нагреве играет а ду йз 4«! р «у!9 роль своеобразной изоляции Рнс. 9.2, Влиание нагРева н охлаждении для теплового потока, кото НОЗДУХа На РаСПРЕДЕЛЕННЕ ПО РаДИУСУ трубы безразмерных параметров потока рЫй ПрОХОдИт ЧЕРЕЗ НЕГО И В прн Ие = 4,З 19«; Рс = в,у ...
О,у!: основном расходуется на на- ! — нагрев прн г !ь зл!; 3 — охлаждегрев более удаленнвсх от стен- '"' нрн г (гу - е.зузз! кн слоев газа Поэтому неко. нне фи«нее«хне свозстнв торос увеличение теплопроводности в тонком слое около стенки не может компенсировать уменьшение )с, в остальном потоке. Результатом является падение коэффипиента теплоотдачи прн нагреве газа.
Для расчета теплоотдачи при нагреве простых и многоатомных газов в диапазоне Т !Т, = 1 ... 6 и Яе = 7.10' ... 1,25 10' рекомендована зависимость няющихся теплофизических свойствах, а / (х/й) учитывает изменение влияния значения Т /Т~ на теплоотдачу следующим образом: 90 70 80 50 60 3О 40 1о 20 1оо 0,73 0,89 0,38 0,55 0,24 1,21 1,27 ... В5 1,02 1,!3 /(кк) о,п Подобное влияние объясняется отчасти тем, что среднемассовая температура теплового пограничного слоя Т,,существенно отличается от Т, приближаясь к ней с ростом х/г).
Поэтому при на~реве газа (Т /Тз > Т /Т,,) и нужно брать Т /Т~ в меньшей степени, чтобы получить тот же эффект влияния на теплоотдачу, как если бы мы взяли Т /Т, Для нагрева одно- и двухатомных газов проведено много исследований, результаты которых сравнительно близко совпадают. Например, для Ке = 7 10' ...
2 1О'; х/~( = 1,2 ... 144; Т/Тг=1 ...7,5; Хщ = 0024 Ке~р Ргрл (Т /Т~) ' (1 +(х/ф ' (Т /Т~) ' 1 (9.13) Гидравлическое сопротивление при нагреве газов падает, так как уменьшается интенсивность порождения турбулентности. Некоторые исследователи рекомендуют 87 = 0,316/Кеу~л~ (Т /Т1) сл (1-)-(х/Н) мз (Т /Т1)щ~~. (914) При охлаждении двухатомных газов эксперименты при Т /Т7 — — 0,15 ... 1 не обнаруживают влияния температурного фактора ни на теплоотдачу, ни на гидравлическое сопротивление, если за определяющую температуру принята Т,.
Это можно объяснить возрастающей ролью тонкого пристенного слоя. При охлаждении газа в нем растут плотность и доля воспринимаемого им тепла. Поэтому падение в нем Х компенсируется частично ростом выработки турбулентности и, следовательно, Х, в остальном потоке, а отчасти радиальными перетечками газа, которые могут возникать из-за разной скорости падения температуры газа на оси канала н около стенки и замедления газа. Аналогично этому падение гидравлических потерь из-за уменьшения р около стенки компенсируется ростом интенсивности порождения турбулентности, вследствие увеличения выработки турбулентности и возникновения радиальных перетечек тепла при замедлении газа.
В околокритической области состояния вещества, где все физические свойства изменяются существенно и в разной степени, обобщать экспериментальные данные приходится в виде уравнения (9.8) и (9.8). Так же можно обобщать данные для равновесно диссоциирующих газов, если под их теплофизическими свойствами понимать так называемые эффективные значения, рассчитанные с учетом реакции диссоциации. 228 9.З. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА Перед конструкторами теплообменных аппаратов (ТА) всегда стоит главная задача, добиться минимальных габаритных размеров и массы аппарата при заданных суммарном тепловом потоке ~, гидравлических потерях, температурах и расходах теплоносителей.
Если поверхность теплообмена выбрана, то заданные условия однозначно определяют габаритные размеры и массу ТА и температуру стенки ТА или генерирующего теплоустройства. Естественно конструктор стремится выбрать такую форму каналов, чтобы в единице объема поверхность теплообмена была максимальной. В каждом конкретном случае это стремление ограничено соображениями надежности, технологичности и удобства эксплуатации конструкции ТА.
В результате учета всех соображений и требований конструктор приходит к некоторому компромиссному решению. Следовательно, выбор теплообменной поверхности — один нз важнейших моментов создания любого теплообменного устройства. Лучшей будет та поверхность, которая при прочих равных усло' виях обеспечит наибольший коэффициент теплоотдачи. Поэтому интенсификация теплообмена в каналах — реальный путь к уменьшению габаритных размеров и массы ТА и к снижению температуры стенок при охлаждении элементов конструкции нли атомного реактора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
