Глава VIII. Теплообмен при свободной конвекции (1013638), страница 5
Текст из файла (страница 5)
0,5 (Ть + Т ). Как будет показано ниже, для конкретной геометрии инжектора опытные данные по теплообмену на стенках бака при принятии в качестве определяющей температуры Т ие зависят от Т (Ть, )7е и расстояния от инжектора. Опыты проводились в вертикальном цилиндрическом сосуде. Горячий воздух подавался в сосуд, частично заполненный водой, двумя способами: осевой струей и равномерным по сечению бака вЛувом с помощью полусферического насадка. Все исследуемые пРоцессы состояли из трех стадий: 1) вдув горячего газа в сосуд с повышением давления в нем до заданного значения при х,'ь7 = = сопз1 и 6,-=- 0; 2) вытеснение жидкости горячим газом при рьь = сопз1; 3) остывание газа в замкнутом объеме при 6ьь —— =-6, =О.
Основные параметры эксперимента изменялись в следующих диапазонах: рь = 0,1 „. 1,1 МПа; Тьь — -- 373 ... 650 К; 6ьь = == (2,5 ... 15) ° 10 ь кг/с; 6, = (0,4 ... 1,8) 10 ' кг/с; числа Рэлея, определенные по 1, Ка = !О'... 5.10"; числа Рейнольдса, определенные по паРаметРам газа на вхоДе в сосУЛ и его ЛиаметРУ, !7ао = =- 300 ... 2000; числа Рейнольдса, определенные по диаметру ЛросселЯ, Кеь =- (4 ... 80) 1У. Методика расчета позволяла получать местный коэффициент теплоотдачи на стенке а (по высоте сосуда и по времени) и среднее значение коэффициента теплоотдачи на зеркале жидкости аь ивовая полость по высоте сосуда разбивалась на 16 слоев, в каж- 2!3 верхностью жидкости можно приближенно описать с помощью той же модели. Проведенные эксперименты показали, что на процесс тепло- обмена в газовой подушке влияют: вынужденное движение, обусловленное вдувом газа, свободное движение, обусловленное разностью температур газа и стенки; нестационарные граничные условия на стенке.
Рнс. 8.12. Зависимость К от времени дли стенок бака прн различных х11Э: а„°, ° — кло = 0,293; 0,626; 2.359 — рееномернна вдув, Л, О, П— хлэ = 0,293; 0,626; 2,359 — осеваа вдув н дом из которых определялась плотность теплового потока в стенку по темпу ее разогрева, а ам опрем делался как отношение плотности Я теплового потока к разности температур между газом и стенкой и в рассматриваемом слое. Плотность теплового потока в зеркало жидкости определялась по баланм су энергии в газовой полости, а а, — как отношение плотности в теплового потока в зеркало к раз- Ф ности между средней температурой газовой подушки и температу- Ф рой слоя жидкости, лежащего под зеркалом. При осевом вдуве горячая струя непосредственно воздействует на 2Р ~Р 7Р АР сР РР УР т Г ЗЕрКаЛО жИдКОСтИ, Над урОВНЕМ которого устанавливается максимальная температура газа по высоте сосуда, что соответствует области растекания струи при ее ударе о зеркало.
Воздействие струи интенсивно перемешивает газовую подушку, по высоте которой практически устанавливается постоянная температура до слива, Сразу с подачей горячего газа идет прогрев пристенной области, формирующейся кольцевой полуограниченной струей у стенки (вследствие растекания по зеркалу и отражения у стенок осесимметричной струи). Прогрев пристенной области тем интенсивнее, чем ближе сечение к зеркалу жидкости.
Более интенсивный прогрев стенки в сечениях, непосредственно лежащих у зеркала жидкости, объясняет полученные значения К = 5,4б ... 18,93 (для х(о — — 1,3 .... 1,7), которые превышают значения для слоев, лежащих выше, К = 2,56 ..., 13,53 (для х1П =- О,б ... 1,2) (рис. 8,12), Значения К тем больше, чем раньше рассматриваемый момент времени. Действительно, в процессе первой стадии эксперимента с ростом давления падает дальнобойность струи, в последующие моменты времени в пристенной области возникает гравитационная конвекция, направленная вниз.
Все это противодействует воздействию струи на стенку, и теплоотдача уменьшается. Теплоотдача на стенке интенсифицируется влиянием струи тем интенсивнее, чем больше расход газа 660 и выше уровень жидкости (меньше хе/0). С наступлением второй стадии режима, когда сосуд опорожняется и объем газовой полости увеличивается, интенсивность перемешивання газа падает, ослабевает влияние воздействия струи 214 на стенку, не наблюдается прогрева пристенной области. Для данного периода теплоотдача на стенке обуславливается нестационарной свободной конвекцией, К = 2,0. При остывании газа в замкнутом объеме после отсечки подачи газа и слива жидкости К = 1,3, затем постепенно падает до значений, меньших единицы, когда свободная конвекция затухает и наступает режим нестационарной теплопроводности.
Лнализ опытных данных по теплоотдаче позволил установить линейную зависимость К = 1(К,) в логарифмических координатах, которая расслаивается по высоте сосуда. Эта связь не нарушается и для значений К ( 1. В сечениях, где наблюдается прогрев пристенной области за счет воздействия струи, значения К несколько выше (в 2 — 3 раза), чем значения, соответствующие линейному характеру 1я К =- 1 (1д Кт,), при тех же величинах параметров нестационарности Кт,. Наибольшие отклонения К характерны для слоев, лежащих у зеркала, в начальной стадии вдува газа, пока воздействие отраженной от зеркала струи на стенку существенно, При равномерной подаче газа в сосуд поля температур и структура газовых течений в замкнутом обьсме формируются иным образом.
Нет непосредственного воздействия вдуваемого газа на зеркало жидкости. Максимальная температура газа по высоте сосуда соответствует средним сечениям начального объема газовой подушки, а не близлежащим к зеркалу, как для осевого вдува. Отсутствует постоянство температуры газа по высоте сосуда. Нет интенсивного перемепшваиия газа в объеме, как при осевой подаче. Этим объясняется, что прогрев газа по высоте при равномерном вдуве выше, чем для осевой подачи, хотя практически температура газа на входе для двух режимов одинакова. Пристенная область газовой подушки прогревается менее интенсивно, чем ее центральная часть.
По-видимому, по радиальному сечению сосуда движение газа направлено только вниз (для х)0 = 0,6 1,7), обусловленное возникновением нестационарной свободной конвекции при остыванин газа у холодной стенки. Теплоотдача на стенке и в ее верхних сечениях протекает интенсивнее. Так К = 5 ... 9,5 для х77) = 0,793 выше, чем К = 3,5 ... 6,8 для х/О = 1,626, На второй стадии режима с удалением зеркала жидкости от входного устройства температура газа существенно расслаивается по высоте.
Теплоотдача на стенке по высоте осредняется значением К = 2 5 Однако для сечений, открывающихся из-под жидкости, К = 5 ... 2, что объясняется быстрым ростом темпа нагрева стенки и некоторым падением ЬТ = Ть — Т для этих сечений. Процесс остывания газа после отсечки бь и б, протекает дольше, а зна"ение К=1,6затем медленно падает до значений, меньших единицы. Опытные данные для равномерного вдува аналогично осевому хаРактеРизУютса линейной свЯзцю К = 7 (Кт,) в логаРифмиче- 215 ских координатах.
Теплообмен газовой подушки со стенкой при равномерном вдуве характеризуется лишь нестационарной свободной конвекцией в отличие от осевого вдува, когда на стенку воздействует отраженная от зеркала полуограниченная струя. Сравнение результатов опыта с различными режимными параметрами (с) „Т „ра хо(о) позволило установить, что расслоение значений по высоте обусловлено различными значениями Ка. Учет влияния Ка позволил устранить расслоение по высоте. Установлено превышение тепло- отдачи на стенке при равномерной подаче газа в сосуд над теплоотдачей при осевом вдуве. Полученные опытные данные обобщаются следующими зависимостями: для равномерного вдува в диапазонах Кг, = 10 в ....
1; Ка, = = 10а ... 10'и; Кап=5 10а ' 5 10в. Ке,з = 300 ... 2000 Мц = 0,724Кт) Ка)'~~ Кай~ (8 46) а! п пп ап пп пп пп пп мпгк и) Рис. З.)3. Зависимости КР К) иа зеркале от времени: С) ° — прн осевом и равномерном адуве дтя кув = 2,43 прн расчете Хп, по зависимостям дня стационарной «онвенции )с) и по зависимости для вааимодействия струи с преградой (б) где Ка, определено по характерному размеру 1, а Кап — по диаметру бака В; для осевого вдува 5)ц == 0,15К)г)ойКа'и Кебо' тКаа' ' )' к 1"'".
18.47) ),а)/ Формула (8.47) справедлива при Ктт = 10 ' .... 1; Ка) = = 10а ... 10"; Кеб = 10' ... 2 10'; Кар = 5 10' .. 5 10' с170 = =- 0,008 ... 0,025. Таким образом, установлено, что теплообмен газовой подушки со стенками сосуда в основном обусловлен нестационарной свободной конвекцией. С целью уменьшения теплообмена газа со стенками зффективнее использовать осевой вдув, Опытные данные по теплоотдаче на зеркале также значительно превышают значения Хпо, подсчитанные по зависимостям квазистационарной свободной конвекции у горизонтальных пластин в неограниченном объеме. Как уже отмечалось, теплообмен на зеркале для осевого вдува протекает гораздо интенсивнее, чем при равномерной подаче газа (рис. 8.13, а). При осевом адуве 2!6 имеет место непосредственное воздействие струи на зеркало жидкости как на преграду.
Особенно это проявляется в начальной стадии вдува (К1 = 120 ... 20), пока еще противодавление незначительно и струя добивает до зеркала. В последующие моменты времени струя воздействует на зеркало, как и поток газа при равномерном вдуве, вследствие расширения и гашения скорости по оси струи у границы раздела газ — жидкость. Теплоотдача в этот момент времени для двухформ вдува определяется значением К~ — — 8 ... 12.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
