Глава VIII. Теплообмен при свободной конвекции (1013638), страница 4
Текст из файла (страница 4)
е. данную задачу нужно решать в сопряженной постановке. Использование коэффициентов теплоотдачи, зависящих от нестацнонарных граничных условий, позволяет при заданных геометрических параметрах емкости, расходе горячего газа и его температуре на входе определить изменение по времени температуры стенки и средней температуры газа.
Это позволяет в конечном итоге рассчитать количество горячего газа, необходимого для вытеснения жидкости из емкости. Движение в газовой подушке обуславливается как свободной конвекпней (нз-за разности температур. стенок и газа), так и вынужденным движением газа от входного устройства до зеркала в процессе вдува газа в бак. Поэтому и теплообмен газа со стенками н зеркалом обуславливается совместным влиянием свободной н вынужденной конвекций. Надежные данные по тепло- н массообмену в га- г вовой подушке могут быть получены только в специально проводимых экспериментах.
тщательно моделирующих условия работы реальных баков. Существующие системы расчета ставят своей целью определение температуры газа Ть и расхода газа бьй. Для этого рассматриваются для газовой подушки уравнение сохранения массы (рис. 8.10) г т! !рьрь) б (8 40) В.е, ПРОЦЕССЫ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ И ОПОРОЖНЕНИИ ЗАМКНУТЪ|Х ЕМКОСТЕА 8.4.1. Методика расчета процесса заполнения емкости газом и вытеснения из иее жидкости ане (8.40) и уравнение сохранения энергии — + р —, =- 1ь — Яь (8 41) и (Рьрьмь) где рь — плотность газа в подушке; г ь — объем газовой подушки; т— время; 6ь — суммарный расход газа, поступающего в подушку, 6ь = 6ье— 6тр 6„, — 6, (6ь„— Расход ! аза, о- Рнс.
а.!О. Схеме емкости при ее заполнении газом н сливе жидкости 209 Задача расчета теплообмена в замкнутых емкостях при их заполнении горячим газом и вытеснения из них жидкости весьма сложна и актуальна. В данном случае имеют место нестационариые процессы теплообмена между горячим газом и стенками емкости, а также между газом и зеркалом жидкости. Интенсивность этих процессов определяется характером изменения температур стенок н зеркала жидкости, т. е. данную задачу нужно решать в сопряженной постановке. Использование коэффициентов теплоотдачи, зависящих от нестационарных граничных условий, позволяет при заданных геометрических параметрах емкости, расходе горячего газа и его температуре на входе определить изменение по времени температуры стенки и средней температуры газа.
Это позволяет в конечном итоге рассчитать количество горячего газа, необходимого для вытеснения жидкости из емкости. Движение в газовой подушке обуславливается как свободной конвекцией (из-за разности температур стенок и газа), так и вынужденным движением газа от входного устройства до зеркала в процессе вдува газа в бак. Поэтому и теплообмен газа со стенками и зеркалом обуславливается совместным влиянием свободной н вынужденной конвекций. Надежные данные по тепло- и массообмену в га- б г вовой подушке могут быть получены только в специально проводимых экспериментах, тщательно моделирующих условия работы реальных баков.
Существующие системы расчета ставят своей целью определение температуры газа Ть и расхода газа 6ье. Для этого рассматриваются для газовой подушки уравнение сохранения массы (рис. 8.10) л (Рьрь) г йт ь пающего в емкость; 6,р — расход газа на вытравливание через предохранительный клапан; 6«, — расход пара, сконденсировавшегася на стенках; 6, — расход пара, сконденсировавшегося на зеркале); иь —— с„ьТь — удельная внутренняя энергия газа в сосуде; ~ь = 6ьогьо 6трьтр 6«санс 6аьа = 6ьосрьс~ ьо 6трср трТтр 6«сер «ЬТнс 6асраТЬ Е 6гаргТ! (6м ср„Т, — соответственно расход, теплоемкость и температура, с которой газ поступает или уходит из рассматриваемой системы); 0ь — отток тепла в стенки и в жидкость через зеркало.
Из уравнений (8.40) и (8.41) получаем выражение для скорости изменения температуры газа в баке: ань ГЬ вЂ” ОЬ вЂ” Р и — ПЬГЬЬТЬ (8.42) Для расчета оттоков тепла к стенкам бака и к жидкости в общем случае необходимо рассматривать нестационарное трехмерное температурное поле в газовой подушке. Однако в практических расчетах нас обычно интересуют не температурные поля, а лишь изменение по времени средней температуры газа и тепловых потоков в стенку и зеркало. Поэтому в инженерной практике вводится средняя температура газа Ть, а влияние реального трехмерного температурного поля учитывается зависимостью коэффициента теплоотдачи от граничных условий, геометрии бака, зависимости свойств газа от температуры и т. д.
Обычно в газовой подушке нет существенных градиентов температур по радиусу бака и по углу; существенно только изменение температуры газа по высоте бака. Этим обстоятельством существенно упрощено определение средней температуры газа по слоям и средней температуры по всей газовой подушке. При практических расчетах рассматривается либо осредненная система, в которой не учитывается изменение температуры газа и коэффициента теплоотдачи по поверхности бака, а учитывается их изменение только по времени, либо распределенная система, в которой температура газа и коэффициент тсплоотдачи являются функцией координаты вдоль осн бака х и времени т. Первую систему называют иногда нольмерной, вторую — одномерной. В первом случае рассматривается средний коэффициент теплоотдачи по поверхности газовой подушки а (т) и суммарный поток тепла от газа в стенки: Яь =а(т)Е(Ть — Т ), (8.43) где Т вЂ” средняя температура стенок; Р— поверхность; Ть— средняя температура газа в подушке.
г1о Для одномерной модели адью = )( "Юьв = ~ сс (х, т) (Ть — Т ) пй дх, (8.44) о О где Π— диаметр бака, ҄— температура стенки в данном сечении. Для расчета теплообмена с зеркалом жидкости для обеих систем рассматривается средний коэффициент теплоотдачи и средняя температура газа в подушке. При расчете теплообмена необходимо знать притоки тепла из окружающей среды или потери тепла в окружающую среду для поверхности бака, контактирующей с газом, Яь ,„р и для поверхности, контактирующей с жидкостью, Я,,„р (см.
рис. 8.10). Для определения тепловых потоков от газа к стенке Я, и от газа в зеркало 1,1„„от зеркала к жидкости Ям и от стенок к жидкости Я, необходимо знание коэффициентов теплоотдачи. Для замыкания системы (8.40), (8.41) необходимы уравнения для температуры стенок бака в газовой и жидких полостях, а также уравнение баланса энергии для жидкости (см.
рис. 8.!О). Кроме этого необходимо условие для определения температуры зеркала жидкости Т,. Если значительна доля паров жидкого компонента в подушке, то Т, определяется как температура насыщения Т, при парциальном давлении паров в подушке бака. При малой доле паров парциальное давление неконденсирующегося газа у зеркала жидкости (следовательно, и Т,) определяется по уравнениям диффузии для компонентов газа. Для определения ба, и 6,, необходимо произвести расчет массообмена на стенках и зеркале. Решение данной задачи как при использовании сосредоточенных параметров, так и при одномерной схеме с распределенными параметрами, выполняется численными методами.
8.4.2. Картины течения Для замыкания приведенной в 8.4.1 системы уравненений необходимо знание коэффициента теплоотдачи газа со стенками бака (при нольмерном описании — среднего, при одномерном — местного), а также среднего коэффициента теплоотдачи газа с зеркалом жилкости. Ниже излагаются результаты экспериментальных исследований, выполненных Г. А, дрейцером, А.
С. Неверовым и А. С. Мякочиным. Эксперименты ставились следующим образом. В модельный бак, частично заполненный жидкостью, вдувался определенный Расход горячего газа и происходил разогрев стенок. При достижении заданного давления в газовой подушке начиналось вы-' теснение жидкости из бака и продолжался разогрев стенок. После ~~ончания слива подача газа прекращалась и шло его остывание 21! в баке.
Эксперименты проводи- лись в двух баках различных диаЪе метров для двух схем вдува— осевой струей и через полусферический инжектор, обеспечивающий равномерное распределение /- . !'1 вдуваемого газа по сечению бака. Проведенные исследования по- зволили установить следующее. О При вдуве горячего газа осевой стРУей в замкнутую полость струя .1.: .~ »' практически распространяется по ! .;! ! 1 1, .1~ 1 законам затопленной струи до взаимодействия с поверхностью ; г,' жидкости. На эту струю оказывиет тормозящее воздействие архимедова сила. Измеренные скорости течения газа у стенки при горячем наддуве оказались выше, = е ОУ Рис.
8,11. схема ееечеиии и баке бака) при идуие осеиой струи; слепа от оси — первый момент идуиа, спрааа 11ри адуве в бак осевой струи от оси — последующие моменты иад- ее взаимодействие с поверхнодуиа стью жидкости протекает по из- вестным законам для турбулентной струи, набегающей перпендикулярно иа стенку (рис, 8.11). Движение газа у стенки прн осевом вдуве обусловлено вторичными отраженными от зеркала жидкости потоками, формирующими у стенки кольцевую полуограниченную струю, направленную вверх. Распространению движений этой струи противодействует свободная конвекция, причем тем существеннее, чем сильнее рассматриваемый слой газа отдален от поверхности жидкости. Непосредственного воздействия струи на стенку нет.
Движение газа у границ газовой подушки протекает более интенсивно с увеличением скорости и температуры газа на входе и уменьшением расстояния от среза инжектора до зеркала жидкости. При равномерном адуве в замкнутой полости практически по всему сечению бака течение газа направлено вниз до взаимодействия с поверхностью жидкости, причем амплитуда образуемых на поверхности жидкости волн примерно в два раза меньше, чем при осевой струе. Течение газа от инжектора типа <полусфера» непосредственно воздействует на стенку, и это воздействие, по-видимому, будет усилено свободной конвекцией. С увеличением расхода газа на входе при равномерном наддуве у границ газовой подушки реализуются большие значения скоростей.
У поверхности жидкости на движение газа оказывает влияние волнообразование. Как и при осевом наддуве, взаимодействие газа с по- 212 8.4.3. Теплообмен в газовой подушке Теплообмен в газовой подушке при вдуве в нее горячего газа в общем случае зависит от чисел Рэлея (Ра), Рейнольдса (17е), температурного фактора (Т )Ть), расстояния от инжектора, конструкции инжектора, а также от параметра тепловой нестационарности. При рассмотрении теплообмена на стенках бана в качестве такого параметра был выбран дТьь 1 ь 7 !Т т! — дт (т т )ьlь ~/ (8.45) влияющий на интенсивность теплообмена при нестационарной свободной конвекцни. Здесь ! — характерный размер, определяемый как расстояние по образующей бака от верхнего сечения обогреваемой поверхности до рассматриваемого сечения; Т =.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
